NO147693B

NO147693B - Fremgangsmaate og anordning til retningsbestemt boring i undergrunn

Info

Publication number: NO147693B
Application number: NO771588A
Authority: NO
Inventors: Fred R Morris; George R Roberts; Robert L Waters; Thora Carlisle
Original assignee: Houston Oil & Minerals Corp
Priority date: 1976-05-12
Filing date: 1977-05-05
Publication date: 1983-02-14
Also published as: DK166877A; NO147693C; FR2361671B1; HK11882A; FR2361671A1; NL7704513A; NL187771B; GB1585479A; NO771588L; CA1057354A; US4072200A; NL187771C

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt sett målinger for lokalisering av underjordiske legemer og masser, og den tar særlig sikte på underjordiske boringer av borehull med en retning som avviker fra vertikal retning, der det anvendes et magnetometerinstrument for fra borestedet å måle ut retning og avstand til et på forhånd bestemt underjordisk mål og for å skaffe informasjoner for styring av fortsatt boring.

Ved boring av en olje- eller gassbrønn er det ofte ønskelig å bore hullet så nær som mulig etter en sann loddlinje. Man er imidlertid klar over at borehull ikke kan bores nøyaktig vertikalt, og ved avslutning av boringen er det rutine å foreta en oppmåling for å bestemme avvikelsen fra loddlinjen i forskjellige dybder. Målingene innbefatter i ett tilfelle anvendelse av et instrument som når det heves eller senkes gjennom borehullet, registrerer forandringer i dets orientering i forhold til en loddlinje, og man benytter da jordens magnetfelt og tyngdekraften som referanser.1 et annet eksempel blir forandringer i forhold til den gyroskopiske referanse registrert. Instrumenter av denne art er velkjent for fagfolk.

Når en brønn blir utsatt for utblåsning eller kommer

ut av kontroll,kan det være ønskelig å avskjære brønnen ved et punkt over den formasjon som skaper det høye trykk og i en passende gjennomtrengelig sone for derved å få til en fluidumstrøm, slik at man kan plugge borehullet og stanse utblåsingen. Et slikt avlastningshull bores for at sement eller annet liknende materiale kan pumpes ned for å stanse utblåsningen. I borehull med store strømningshastigheter, og særlig brønner som også brenner er det også nødvendig å bore et hull som avviker fra loddlinjen og som skjærer det første borehull, slik at man får en bane frem til det punkt der man ønsker å utføre en avstengning.

Generelt sett kan boring av hull i retninger som avviker fra det vertikale for å presse tidligere boret hull, gjøres temmelig nøyaktig hvis posisjonen av det hull man skal frem til er kjent med tilstrekkelig nøyaktighet. På grunn av mangelen på nøyaktighet ved oppmåling av det første hulls avvikelse fra vertikalen eller loddlinjen vil imidlertid den nøyaktige posisjon av det ønskede målpunkt langs utblåsningsbrønnen i alminnelighet ikke være nøyaktig kjent. Posisjonen kan i typiske tilfelle være kjent bare innenfor tre til ti meter. På grunn av at 'borestrengen som benyttes ved boring av avlastningshull som avviker fra loddlinjen ikke kan ta skarpe svinger og derfor må stilles opp i riktig retning ved et punkt langt fra det første borehull er det vanskelig å treffe det første hull nøyaktig. Ofte må mange forsøk gjøres før man treffer riktig. Hvis imidlertid målpunktet langs det første borehull kunne bestemmes nøy-aktig kunne boringen foregå lettere og mer direkte. Dette er imidlertid ikke alltid tilfellet.

For å bore et skrått avlastningshull som skjærer et første hull med det for øye å stenge av en brønn som er ute av kontroll er det derfor nødvendig å benytte retningsbestemt boring. Retningsbestemt boring innebærer kontroll med kursen av et borehull ved hjelp av instrumenter som benyttes både på overflaten og under denne for å lede boringen mot et bestemt målpunkt. Retningsregistrerende instrumenter benyttes for å bestemme den ønskede retning av boringen,og avbøyningsverktøy og/ eller retningsmetoder benyttes nede i hullet for å styre hullets kurs nedad.

En løsning på retningsregistrerende instrumenter for anvendelse ved boring av hull som avviker fra loddlinjen omfatter et system der et magnetometer anbringes i det borehull man skal bore seg frem til med en magnetfeltgenerator, f.eks.

en elektromagnet som er plasert i et annet borehull i en viss avstand fra det første. Elektromagneten bæres av borestrengen som skal styres i overensstemmelse med målingene av det felt som frembringes av målområdet slik det fåes med magnetometeret. Disse målinger gir en indikasjon om retningen av det frembrakte felt med endringer i de målte komponenter som gir en indikasjon av bevegelsesretningen for boret i forhold til magnetometeret ved måleområdet. Denne teknikk ved boring av skrå hull er beskrevet

i U.S. patentene 3.285-350 og 3.^06.766.

En annen løsning i forbindelse med retningsbestemt boring av skrå hull, i forhold til loddlinjen, er beskrevet i U.S. patent nr. 3.725.777. Løsningen her går ut på en metode

for lokalisering av et allerede boret hull som er utforet med et materiale med remanent magnetisme. Magnetometeret måler den totale styrke på det eksisterende magnetfelt som er en kombinasjon av den magnetiserte foring pluss jordmagnetismen. Mulige punkter i den allerede utforede brønn beregner og under forutsetning av at styrke og retning for det jordmagnetiske felt er kjent, kan styrken og retningen på det felt som skapes av det utforede borehull bestemmes. Avstanden og retningen til det utforede borehull blir bestemt av maskinberegninger som foretar en analyse på de minste kvadrater.

Nok en mulig løsning innebærer bestemmelse av avstanden mellom et utforet hull,og et retningshull er beskrevet i U.S. patent nr. 3-7^8.57^, der man finner en teknikk som benytter motstandsmålinger. Ved denne teknikk blir den ventede motstand i formasjonene som omgir det skrå hull bestemt ved beregninger som foretas av den ventede reduksjon i motstanden som skyldes nærvær av foringen. Et nomogram settes opp for gjengivelse av den bereg-nede reduksjon mot de antatte distanser for hver beregnet forma-sjonsmotstand. Den målte motstand som skyldes foringen over avstanden mellom de to hull fåes deretter fra nomogrammet.

I alminnelighet vil styresystemer for boring av skrå hull innbefatte underjordiske føleanordninger som påvirkes av retningen av magnetfeltet og registreringsinstrumenter på overflaten for gjengivelse av den informasjon som gjelder det avfølte magnetfelt. Føleanordningene som påvirkes av retningen av magnetfeltet under overflaten kan være en eller annen type magnetometer som føler retningen av det utstrålte magnetfelt ved målet og fra jorden, og utgangene fra magnetometeret er koplet til registreringsinstrumentene på overflaten.

I et typisk tilfelle vil føleanordningen som påvirkes av retningen av magnetfeltet være et fluksportmagnetometer med en lav magnetisk reluktans i en retningsfølsom sløyfe med drivspoler og påviklede følespoler. En oscillator frembringer en vekselstrøm som flyter i de parallelle drivspoler og disse setter opp en vekslende magnetisk fluks i sløyfen. Når sløyfen ikke er utsatt for noe omgivende magnetfelt, vil den spenning som indu-seres i hver følespole være lik og motsatt slik at man ved summering av spenningene ikke får noen utgang. Når den magnetiske sløyfe blir utsatt for et omgivende magnetfelt med kraftlinjer, innbefattende en vektorkomponent parallell med sløyfen, vil balansen mellom følespolene bli forstyrret, og en vekselspenning fremkommer ved utgangen. Da føleanordningen for magnetfeltets retning også er følsom overfor jordens magnetfelt, må det anvendes en eller annen form for nøytralisering for å justere det fluks som skapes i sløyfen slik at virkningen av jordens magnetfelt oppheves og for å drive utgangsspenningen fra følespolene mot null. Magnetometere av denne type er følsomme bare for magnetfelt med en vektorkomponent som er parallell med kjernen og er derfor ikke følsomme overfor magnetfelt som står perpendikulært på sløyfens lengderetning.

Por å bestemme retningen av magnetfeltet har det vært vanlig ved tidligere kjente magnetometersystemer å benytte to innbyrdes perpendikulære fluksportmagnetometere som gir X og Y koordinatvektorer for det felt som undersøkes. Vektorene blir i alminnelighet oppløst elektronisk og gjengitt på et registrerings-instrument av en eller annen type på overflaten. Registrerings-instrumentet på overflaten skal tjene til å løse opp vektorkomponentene for det følte magnetfelt på en vanlig måte ved hjelp av rektangulære koordinater, f.eks. ved å gjengi komponentamplitudene og ved å vise grafisk den aktuelle feltretning i følernes plan. Som eksempel på de sist beskrevne føleanordninger og magnetometersystemer kan det vises til U.S. patent nr. 3.731.752. I dette patent er det videre foreslått å anvende et tredje magnetometer slik at man kan måle X, Y og Z komponentene for magnetfeltet.

Tidligere styresystemer med magnetometer for skrå boring av hull, f.eks. som beskrevet ovenfor, har føleanordningen for magnetfeltets retning plasert i et eksisterende borehull som skal presses eller skjæres av det andre borehull. Magnetometeret blir da det mål som har elektromagnetervbg setter opp et magnetfelt som kan påvises. Kravet om at man må anvende en magnetisk feltgenerator som kan sette opp et påvisbart magnetfelt kan skape uløselige problemer i de tilfelle, f.eks. ved en utblåsning, da det ikke er mulig å anbringe en magnetometeranordning eller en feltgenererende kilde i borehullet.

Det er derfor ønskelig å ha et undersøkelses- eller oppmålingssystem for styring av skrå boring, der man vil være i stand til å lokalisere et underjordisk ferromagnetisk mål, f.eks. en lengde av en borstreng, et boreverktøy eller borehullforing i det hull man skal frem til. Ferromagnetisk materiale av denne art vil oppvise og ha remaninent magnetisering fordi de fleste borerør og borehullforinger blir elektromagnetisk undersøkt før det installeres, slik at man vil ha et magnetisk restfelt i foringen. Selv når dette ikke er tilfellet vil en magnetisk påvirkning fra jordens magnetfelt indusere en viss magnetisme som kan påvises i ferromagnetisk materiale i det borehull man skal bore seg frem til. Det er videre ønskelig å ha et undersøkelses-eller målesystem som gir ikke bare retningen frem til målpunktet på borehullet, men også gir avstanden frem til dette punkt.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1, i perspektiv, viser et felt under overflaten med føleanordning i et borehull i nærheten av en foret brønn som borehullet skal treffe,

fig. 2 viser viser skjematisk"avstands"-teknikken

og illustrerer den tilhørende forklaring,

fig. 3 og k er diagrammer som viser strålingsmønsteret for det magnetiske felt som hersker i den forede brønn på fig. 1,

fig. 5 viser et diagram for koordinataksesystemet

som fastlegges av settet av ortogonale magnetfeltfølere som bæres av føleapparatet under feltets overflate og i det åpne borehull,

fig. 6 viser et vektordiagram som gjengir utviklingen av korreksjonsfaktorer for anvendelse ved beregning av korrek-sjonsvinkler for borehullets elevasjon og asimut,

fig. 7 viser et snitt gjennom et føleapparat for anvendelse i undergrunnsfeltet,

fig. 8 er et blokkdiagram av de elektroniske komponenter som finnes i føleapparatet,

fig. 9 viser et diagram for følsomhetsmønsteret for de magnetiske føleelementer som benyttes i henhold til oppfinnelsen,

fig. 10 er et diagram som viser anordningen av magnetiske følere i føleapparatet for magnetfeltet, der det er tatt hensyn til følsomhetsmønstrene for følerne,

fig. 11 viser et koplingsskjerna for en oscillator-krets til anvendelse i det elektroniske blokkdiagram som er vist på fig. 8,

fig. 12 viser et koplingsskjerna for kretsene for en av de identiske magnetfeltfølere,

fig. 13 viser, i perspektiv, et kjerneelement for en magnetisk føler egnet for anvendelse sammen med den magnetiske feltfølekrets på fig. 12,

fig. 14 viser følerkjerneelementet på fig. 13 sett fra siden, med følsomhetsmønsteret inntegnet,

fig. 15 og 15A viser de signaler som ventes fra føler-kj erneelementets utgangsklemmer,

fig. 16 er et koplingsskjerna for den elektroniske krets til de tidsvarierende magnetiske og elektriske feltfølere i undergrunnsføleapparatet på fig. 1,

fig. 17 viser et koplingsskjerna for en spenningsregulator som er egnet til regulering av krafttilførselsspenningene i undergrunnen,

fig. 18 viser en hensiktsmessig utførelsesform for den vertikale føler som er vist med blokkdiagrammet på fig. 8,

fig. l8A er en kurve som viser utgangsfølsomheten for den vertikale føleranordning på fig. 18, og

fig. 19 er et blokkdiagram som viser overflateutstyret som mottar data undergrunnsinstrumentet har sendt ut.

Den generelle teori som fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen er basert på, er den som i alminnelighet er knyttet til og kan anvendes på magnetiske og elektriske felt. Det fremtredende siktepunkt for oppfinnelsen er imidlertid utnyttelse av magnetfelt som eksisterer rundt og stråler ut fra en målkilde i undergrunnen.

Foreliggende oppfinnelse utnytter egenskapene ved jordens magnetfelt og ved en magnetisk kilde som danner målet, til frembringelse av informasjoner om avstanden frem til målet og retningen når det gjelder det magnetiske føleapparat som befinner seg i undergrunnen. Orienteringen av det magnetiske føle-apparat i undergrunnen, anbrakt i borhullet som bores, bestemmes med referanse til jordens magnetfelt, idet dette er en kjent størrelse både når det gjelder styrke og inklinasjonsvinkel på et bestemt sted på jorden.

Fig. 1 viser en anvendelse for fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen, der det skal bores et avlastningshull i en bestemt retning for å treffe en tidligere boret brønn.

Store stykker av magnetisk materiale, såsom en magnetisert foring eller borstreng i et borehull kan skape uregel-messigheter i jordens magnetfelt. En uregelmessighet av denne art vil opptre som et magnetfelt med styrken H overlagret på jordens magnetfelt. Den generelle form for et uttrykk for magnetfeltet som en funksjon av avstanden fra uregelmessigheten er gitt med:

der K er en konstant som er avhengig av de magnetiske egenskaper (mottagelighet) i det omgivende medium, M er det magnetiske moment for det magnetiske legeme, og n er fallhastigheten i forhold til avstanden r når det gjelder den magnetiske feltstyrke H i legemet.

Differensierer man det ovenfor gjengitte uttrykk fåes forandringshastigheten for den magnetiske feltstyrke i forhold til den radielle posisjon fra sentrum av det magnetiske legeme. Den deriverte er:

og gir uttrykk for en vektorstørrelse som kan betegnes som gradi-enten for H eller grad H i radialretningen. Ved å ta forholdet H/dH får man et uttrykk som bare har avstanden r til det magnetiske legeme og fallhastigheten n. Dette uttrykk er: vil man etter divisjon få eller alternative

Denne derivering angir at avstanden r fra et observa-sjonspunkt i rommet til det magnetiske legeme kan bestemmes av målinger av den magnetiske feltstyrke som tas ved tre eller flere punkter langs en stort sett rett linje som representerer aksen for avlastningshullet for bestemmelse av den gjennomsnitlige gradient for magnetfeltet mellom disse punkter.

Verdiene for H og dH/dr for de gjengitte likninger kan måles ved å benytte to innrettede magnetfeltfølere som står i en fast avstand fra hverandre. Por større nøyaktighet kan en gjennomsnittsverdi for de magnetiske feltstyrker,målt med to magnetiske følere,benyttes for verdien H. Forskjellen AH i avlesningene mellom de to magnetiske følere, dividert med avstanden Ar mellom dem gir AH/Ar som er den gjennomsnitlige gradient for den magnetiske feltstyrke H over avstanden mellom dem og en god.tilnærmelse til dH/dr.

På fig. 2 er det vist et diagram som gjengir det som er forklart ovenfor. For å få to målinger av H og AH/Ar som kan substitueres i de ovenfor gjengitte linjer er det nødvendig å foreta minst tre målinger av den magnetiske feltstyrke. For derfor å få H^ blir magnetfeltets styrke ved punktene a og b målt, og man har en gjennomsnittsverdi. Avstanden mellom de magnetiske følere fastlegger punktene a og b, der Ar er avstanden mellom dem. Tilnærmelsen til dH-^/dr fåes ved å dividere forskjellen i de målte feltstyrker ved punktene a og b og som er beregnet med AH^, med avstanden Ar. For å få H ? forskyves de magnetiske følere til et nytt punkt langs den felles akse med føleren som tidligere var i punkt a ført frem til punkt b, og føleren som tidligere var i punkt b, nu ført frem til punkt c. På samme måte som bestemmelsen av H, blir den magnetiske feltstyrke målt ved punktene b og c, der verdien er gjennomsnittet av de to målinger. Tilnærmingen åH^/ dr vil fåes ved å bestemme forskjellen mellom styrkene i punktene b og c som AHQ og denne verdi deles med avstanden Ar. Verdien for r i den tidligere likning (4) er på fig. 2 r^ = r + 3Ar/2, og verdien = r + Ar/2.

Ved å substituere disse verdier i likning (4) fåes

den følgende likning:

som kan forenkles til og skrives om for å gi uttrykk for avstanden r slik: Under forutsetning av at er ubetydelig sammenliknet med r, fører dette til der:

Avstanden vil bli uttrykt i en hvilken som helst dimen-sjon som adskillelse med Ar er målt i. Den kan være i fot eller meter.

Straks avstanden r er bestemt, kan fallhastigheten n bestemmes for å angi karakteren av det magiske mål. Verdien for n fåes ved å løse likningen

Det skal påpekes at den avstandsmåling som er beskrevet ovenfor også kan utføres med en enkel magnetisk føler. Hvis bare én føler benyttes må målingene av magnetisk feltstyrke holdes sammen med avstanden ned i borehullet (Ar avstanden) for å bestemme adskillelsen mellom de punkter målingene tas ved. Dette kan gjøres ved å henge føleren i en kabel som er merket for å angi dens lengde. Adskillelsen er nødvendig for å gjøre det mulig å bestemme den gjennomsnitlige gradient for magnetfeltet AH/Ar.

Det skal også fremheves.at avstandsmåling med en enkel magnetisk føler av praktiske årsaker ikke vil være så nøyaktig som med to følere som står i en fast avstand fra hverandre. Den riktigste av de praktiske begrensninger ved anvendelse av én føler er at man ikke kan være sikker på at føleren er orintert i samme stilling ved alle målepunkter. Det er en forutsetning for denne avstandsmåling at feltstyrkemålingene foregår langs en rett linje og at de magnetiske feltfølere ikke endrer sin orientering.

Magnetiske strukturer med forskjellige dimensjoner

og oppbygninger skaper magnetfelt med et karakteristisk strålingsmønster. For eksempel vil en magnetisert langstrakt

.struktur som danner en magnetisk dipol ha magnetiske flukslinjer som går fra den ene ende til den annen. Hvis imidlertid strukturen er tilstrekkelig lang og observasjonspunktet beveges nær ved en ende, vil magnetismen tilsynelatende stråle ut fra en endeløs lineær magnetisk kilde i form av utadrettede radielle flukslinjer som strekker seg fra den langstrakte magnetiske struktur. Magnetfeltets egenskaper kan benyttes ved passende

undersøkelse med magnetiske feltfølere og med riktig tolkning av målinger og kjennskap til jordens magnetfelt, til bestemmelse av retningen til det magnetiske legeme fra ett eller annet punkt i rommet.

Den vanlige situasjon man står overfor ved retningsbestemt boring i undergrunnen er den der en brønnforing eller et stykke av en borstreng er det magnetiske legeme som skal påvises, f.eks. som i fig. 1. Siden den langstrakte gjenstand utgjør en dipol og siden observasjonspunktet i rommet ligger i en forholdsvis stor avstand fra den magnetiske struktur vil det magnetiske felt som stråler ut fra gjenstanden tilsynelatende være et radielt rettet felt, som vist på fig. 3 og H, med en styrke som er gitt med H = KM/r 2. Hvis man benytter et sett med tre magnetiske følere som er anordnet ortogonalt, kan jordens magnetfelt og målets felt påvises og uttrykkes som tre komponenter. Da jordens magnetfelt er av kjent styrke og retning, kan dettes bidrag til avlesningene fra de tre følere subtraheres slik at man blir tilbake med komponentverdiene for målets magnetfelt i det koordinatsystem som er fastlagt av de ortogonale magnetiske følere. Komponentverdiene kan beregnes ved å benytte vanlig vektoranalyse slik at man får en angivelse av retningen mot det magnetiske legeme som utgjør målet.

På fig. 5 er et magnetisk mål og det koordinatsystem som fastlegges med det magnetiske føleutstyr vist skjematisk, med de informasjoner som er tilstrekkelig til å tjene som et eksempel på hvorledes teorien kan anvendes til bestemmelse av retningen mot målet. Systemet med koordinatakser som er fastlagt av de tre ortogonale magnetiske følere har tie akser betegnet med X', Y' og Z'. Den horisontale akse X' og den skrå akse Y' som avviker fra vertikalen er perpendikulær på aksen for borhullet som er Z'-aksen. På grunn av helningen a for borhullet er koordinatsystemet som dannes av de ortogonale magnetiske følere blitt rotert om X'-aksen mens de har et felles origo, og koordinatsystemet som skyldes de magnetiske følere og overflatekoordinatsystemet faller ikke sammen.

De magnetiske feltfølere som er knyttet til X', Y'

pg Z' aksene vil måle de magnetiske feltstyrkekomponenter i det samlede magnetfelt (dvs. jordmagnetismen og magnetisme fra målet). De målte magnetiske komponentfelt styrker fra målets

magnetfelt er betegnet med H x , , H y , og H z, • Diagrammet på fig. 5 vil også tjene som vektordiagram med betegnelsene H^,, H y , og H z, for angivelse av de relative magnetfeltkomponenter som kan tilskrives det magnetiske legeme som er målet.

Med de magnetiske følere fremdeles i en god avstand fra målet slik at målets magnetfelt ikke gir noe bidrag til de målte komponentverdier, kan jordens magnetfeltkomponenter i X', Y' og Z' koordinatsystemet bestemmes. Selv om jordens magnetfelt egentlig har en gradient er denne så svak at den kan be-traktes som ubetydelig, og jordens magnetfelt kan behandles som er konstant. Etterhvert som magnetfeltet fra målet blir målbart etterhvert som de magnetiske følere beveger seg ned gjennom det skrå borehull kan de målte feltkomponenter for jordmagnetismen subtraheres fra de totale feltkomponenter som påvises av følerne, slik at man sitter tilbake bare med de komponenter som skyldes målets felt i X', Y', Z' koordinatsystemet.

Når man kjenner komponentene for målets magnetfelt, kan plaseringen av målet i forhold til origo i X', Y', Z' koordinatsystemet bestemmes.

En fullstendig beskrivelse av komponentene i jordens magnetfelt i de aksiale og radielle retninger kan beregnes for en hvilken som helst dybde av de magnetiske følere i under-grunnshullet. For å bestemme dette må ha man ha kjennskap til den totale feltstyrke H™ og inklinoasjonsvinkelen <J> for jordens magnetfelt i det spesielle punkt på jorden det gjelder der borehullet kan bores. Den samlede feltstyrke og inklinasjonen kan fåes fra U.S Navy, Hydrographics Office.

Det er nødvendig å kjenne inkliniasjonsvinkelen a fra horisontalen og retningen 0 som magnetisk nord ved forskjellige dybder som kan være av interesse i borehullet. Denne informasjon fåes på forhånd ved å ta magnetiske feltmålinger med den magnetiske føleanordning for anvendelse i undergrunnen. Som et alternativ kan en bestemmelse av borehullets retning og avvikelse fra loddLinjen .æm betegnes som helningen i forskjellige dybder,fåes ved målinger utført med et fotoklinometer eller en klinograf. Begge instrumenter opptegner en rekke avvikelses-målinger som er knyttet til instrumentenes dybde på en tur inn i og ut av borehullet. Fra begge er det mulig å bestemme borehullets kurs og retning.

Med de ovennevnte informasjoner kan komponentverdiene av det totale felt H i X', Y', Z' koordinatsystemet uttrykkes med likningene:

De antatte verdier av jordens magnetfelt i X, Y, Z koordinatsystemet kan benyttes til å kontrollere at de magnetiske følere virker som de skal. Dessuten kan avvikelser fra de på forhånd antatte verdier benyttes til å angi nærvær av et magnetisk mål.

Por å forklare de ovenstående likninger kandet antas at jordens magnetfelt Hg er 43,168 gamma og inklinasjonsvinkelen er 37,6°. Videre kan det antas at borehullets retning er 33,5° og at borehullets helning er 38,9°. Av de ovenstående likninger vil med H^, = Hg, , jordens magnetf eltkomponent målt langs X' aksen av magnetisk føler være 18,77 gamma. Komponenten som måles av føleren Y' aksen vil være 38,736 gamma og komponenten langs Z' aksen vil være 2575 gamma. For å kontrollere verdiene kan de settes sammen til en resultant eller det mate-matiske uttrykk

Når disse verdier anvendes, får man jordens magnetfelt på 43,168 gamma som man jo også bør.

Det skal fortsatt vises til diagrammet på fig. 5,

og man kan på grunnlag av de magnetiske feltstyrkekomponenter H x , , H y , og H z, målt av de ortogonale magnetiske følere, bestemme acimutkorreksjonsvinkelen Gc og elevasjonsvinkelen oc. Hvis man forutsetter ingen rotasjon av koordinatsystemet om Z' aksen kan acimutkorreksjonsvinkelen 9c bestemmes som:

Elevasjonskorreksjonsvinkelen a kan bestemmes som Hvis det ikke finner sted noen rotasjon av koordinatsystemet X<1>, Y', Z' vil man ikke ha noen forandring i Hz'. Imidlertid vil verdiene for H^' og H ' bli påvirket. Vektordiagrammet på fig. 5 viser de følgende beregninger som gir korrigerte verdier for komponentverdiene H^' og H^'. De korrigerte verdier er benyttet i de ovenfor gjengitte likninger, for acimutkorreksjonsvinkelen 6c og elevasjonskorreksjons-verdiene oc. I diagram og beregninger representerer ty rota-sjonsvinkelen for koordinatsystemet. Av diagrammet og med som en begynnelse kan dette uttrykk omskrives som og forenkles til hvorfra det kan vises at den korrigerte verdi er

Videre vil man lett se at

Resultanten R i vektordiagrammet på fig. 5 må ikke forveksles med avstanden r som er bestemt ut fra den avstandsmåleteknikk som tidligere er beskrevet. Resultanten R angår bare retningsbestemmelsen for det påviste magnetiske mål og dens størrelse angir bare den totale feltstyrke ved målet. Verdien av feltet kan beregnes etter:

Den foregående diskusjon av bestemmelsen av retningen til målet har forutsatt påvisning av statiske magnetfelt. Imidlertid kan man anvende en annen fremgangsmåte hvis et med tiden varierende magnetfelt kan settes opp rundt målet. For å sette opp et med tiden varierende magnetfelt kan foringen eller liknende tilføres en vekselstrøm. Det felt som skyldes denne type magnetisering vil, om det registreres i et diagram, fremkomme som en serie konsentriske ringer som stråler ut fra målet. De sirkulære flukslinjer for feltet vil bli rettet i overensstemmelse med den kjente høyrehåndsregel. Styrken på feltet vil avta med en hastighet som er omvendt proporsjonal med avstanden fra målet, det vil si H = Kl/ .

r

En føler for vekslende magnetfelt med en følsomhet som har et maksimum langs en akse når den er rettet inn med feltet og et null langs en annen akse perpendikulært på aksen med størst følsomhet ved innretning med feltet, er velegnet til påvisning av det med tiden varierende magnetfelt og til å angi retningen til målet. Når en slik føler anbringes i det med tiden varierende felt som er beskrevet ovenfor, vil et maksimum signal bli påvist med den første akse som er nevnt ovenfor orientert tangensielt med de sirkulære flukslinjer, og et mini-mum vil bli påvist med føleren orientert med nullaksen tangensielt til de sirkulære flukslinjer.

Med en magnetisk føler i det med tiden vekslende magnetfelt som fremkommer rundt målets foring kan retningen til målet bestemmes ved å forandre orienteringen av føleren inntil man får en avlesning på null. Når man så vet at en null avlesning vil fremkomme bare når aksen for maksimal følsomhet er perpendikulær på de sirkulære flukslinjer som stråler ut fra målet, vil retningen til dette mål være den retning som aksen for maksimal følsomhet peker i.

De med tiden varierende magnetfelt (kvasistatiske felt) som frembringes ved at vekslestrømmer tilføres foringen i selve brønnen, kan utnyttes på samme måte som beskrevet ovenfor og vil ha ytterligere fordeler når det gjelder synkron måling og opphevelse av virkningene av jordens magnetfelt, noe som igjen fører til.forbedret preisjon i målingene.

Et målesystem i henhold til oppfinnelsen er den ovenfor forklarte teori og teknikk til lokalisering av et underjordis på forhånd bestemt mål fra et skrått borehull, innbefatter utstyr både på overflaten og i undergrunnen.

Undergrunnsinstrumentet er hovedsakelig et magnetisk feltmålende apparat med magnetiske følere og tilhørende arbeids-kretser som danner et meget følsomt magnetometer i stand til å påvise meget små magnetfelt. I tillegg til dette muliggjør den magnetiske føleanordning måling av tre magnerfeltkomponenter for beregning av størrelsen av det påviste magnetfelt og retningen til den magnetiske kilde hvorfra feltet kommer.

Overflateinstrumentet omfatter hovedsakelig det data-behandlingssystem som er nødvendig til behandling av data fra det magnetiske feltfølesystem som befinner seg i undergrunnen. Det finnes en programmerbar regnemaskin der de tilpassede data blir lagret og senere behandlet. Behandlingen av data er i overensstemmelse med på forhånd bestemte programmer til håndtering av data for beregning av avstanden og retning til det på forhånd bestemte mål i undergrunnen. Prøvefeltutstyr finnes også for lagring av data og utskrivning av den behandlede informasjon.

Programmene som benyttes til behandling av informasjoner om den magnetiske feltstyrke fra instrumentet som befinner seg i undergrunnen, utfører i første rekke beregning for bestemmelse av avstand og retning til målet. Imidlertid kan det også benyttes tilleggsprogrammer som innfører korreksjonsfaktorer i de data som fremkommer, slik at graden av nøyaktighet blir bedre. Om det ønskes kan overflateinstrumentet videre omfatte en strimmelskriver og forskjellige målere som gjengir de data man får fra undergrunnsinstrumentet. Undergrunnsinstrumentet er beregnet på .å påvise både kvasistatiske og med tiden varierende felt. Por å sette instrumentet igang til dette innbefatter det flere følere som danner et likestrømsmagnetfelt-følesystem og et vekselstrømsmagnetfeltfølesystem. Når statiske magnetfelt skal påvises, noe som betegnes som den passive arbeidsmåte, benyttes instrumentets likestrømsmagnetfeltføle-system. På den annen side, når instrumentet følger den aktive arbeidsmåte, kan vekselstrømsmagnetfeltfølesystemet benyttes, f.eks. når med tiden varierende felt skal påvises.

Likestrømsmagnetfeltfølesystemet omfatter hovedsake-

lig et sett på tre innbyrdes perpendikulære likestrømsmagnet-feltfølere som fastlegger et X-Y-Z koordinatsystem. Den magnetiske føler for X-aksen og den magnetiske føler for Y-aksen omfatter hver et enkelt magnetometer mens den magnetiske føler for Z-aksen omfatter to likestrømsmagnetometere som står i en på forhånd bestemt avstand fra hverandre. Det rettvinklede sett av like magnetometere benyttes til bestemmelse av retningen for under-grunnsmålet fra overflateinstrumentet ved måling av tre feltstyrkekomponenter for det magnetfelt som stråler ut fra målet i undergrunnen. De magnetiske feltstyrkekomponenter er de som blir målt langs X-Y-Z-aksene for det koordinatsystem som fastlegges av det rettvinklede sett med magnetiske følere. Med denne anordning av magnetiske følere kan databehandlingsutstyret på overflaten beregne retningen mot målet i undergrunnen ved å

sette sammen de magnetiske feltkomponenter til en resultantvektor. Hovedanvendelsen for de to adskilte magnetometere som er rettet inn langs Z-aksen er å utføre den avstandsmåling som tidligere er beskrevet for å bestemme avstanden fra under-grunnens instrument til det påviste magnetiske mål i undergrunnen .

Vekselstrømsfeltfølesystemet omfatter to typer følere.

En føler er en vekselstrøms magnetfeltføler og den annen føler

er en elektrisk feltføler. Por å kunne benytte vekselstrøms feltfølesystemet må det settes opp et med tiden varierende felt rundt den brønn som er målt, og feltet kan være enten magnetisk eller elektrisk. Som eksempel kan strømkilder for katodisk beskyttelse med høy strøm koplet til brønnens foring benyttes for å danne målet på en hensiktsmessig måte. Strømretur kan fåes gjennom en eller annen jordforbindelse, f.eks. en ytterligere brønnforing som ligger i en viss avstand fra foringen som utgjør målet.

Magnetisering av målets foring ved hjelp av den strøm

som flyter i dette skaper et sirkulært magnetfelt rundt aksen

for brønnens foring. Vekselstrømsmagnetfeltføleren kan benyttes til påvisning av vekselstrømskomponentene i dette felt og til å bestemme retningen mot målet. Hvis det viser seg vanskelig å føre tilstrekkelig strøm til å flyte gjennom målets foring til at man får et tilfredsstillende magnetfelt, f.eks. når det er for stor strømlekkasje til jord, kan de elektriske feltprober benyttes til påvisning av den elektriske felt-gradient som settes opp av vekselstrømkomponentene i magneti-seringsstrømmen.

På figurene 7A og 7B er det vist et snitt gjennom en utførelsesform for en undergrunns feltføleanordning som er betegnet med 100, og den har en stort sett sylindrisk og langstrakt form. Hoveddelen av apparatet omfatter et rørformet hus 102 av umagnetisert materiale, f.eks. rustfritt stål, med en nesekonus 104 foran og et tilkoplingshus 106 ved den bakre ende. Nesekonusen 104 innbefatter en adapter 108 med gjenger 110 som middel for feste av nesekonusen 104 til huset 102. I den ikke-ledende nesekonus 104 som er av glassfiber, finnes elektriske feltprober 112 og en vekselstrømsmagnetfeltspole 114. Både spolen 114 for vekselstrømsmagnetfeltføleren og elektrodene for vekselstrømspotensialdetektoren er tett omsluttet i nesekonusen 104. Ledninger fra spolen 114 og elektrodene 102 er også ført tett opp gjennom nesekonusen 104, og er forbundet med en kontaktstrimmel (ikke vist) ved den bakre ende av nesekonusen .

Det ytre hus 102 omslutter de elektroniske komponenter for undergrunnsinstrumentet 100. De forskjellige trykte kretskort som inneholder de elektroniske detaljer for forskjellige feltføleanordninger bæres på en ramme 116 bestående av fire langstrakte stenger 117 som strekker seg over omtrent hele lengden av det ytre hus 102. Rammen 116 bærer dessuten en forreste vegg 188 og en tilkoplingsvegg 120 som stengene er festet mellom. En rekke forskjellige vegger som alle er betegnet med 122, gir støtte for stengene mellom deres ender.

Anordningen av elektroniske detaljer i det ytre hus 102 har en Z-akseføler 124, betegnet som Z-^-akseføleren, og det tilhørende trykte kretskort 126 befinner seg ved den forreste ende av instrumentet 100. En ytterligere Z-akseføler 128 som er betegnet som Z2~akseføleren er anbrakt nær tilkoplingsveggen 120. Et trykt kretskort 130 som står like foran Z-akseføleren 128 inneholder de elektroniske detaljer for denne føler. Adskillelsen mellom Z^-akseføleren og Z2~akseføleren er en på forhånd "bestemt og nøyaktig fastlagt avstand som fortrinnsvis er rundt 90 cm. X-akseføleren 132 og Y-akseføleren 134 er anbrakt mellom endene av instrumentet 100. Et trykt kretskort 136 som er anbrakt mellom X-akseføleren og Y-aksefølgeren bærer de elektroniske detaljer for begge følere. Like bak Y-akseføleren 134 finnes et kretskort 137 for kraftregulering og lenger bak og ved siden av Z ?-aksefølerens elektronikk finnes den vertikale referanseføler 138.

Den mekaniske plasering av de magnetiske følere er kritisk ikke bare når det gjelder forholdet til det ytre hus 102, men også når det gjelder de andre følere. Med riktig plasering av følerne vil aksen for maksimum følsomhet for Z-^-akseføleren 124 og aksen for maksimum følsomhet for Z2~akseføleren 128 være rettet inn med den langsgående senterlinje for det ytre hus 102. Aksene for maksimum følsomhet når det gjelder X-akseføleren 134 og Y-akseføleren 132 blir begge perpendikulære på husets 102 langsgående senterlinje. I tillegg til dette må aksen for maksimal følsomhet for hver av de to følere være perpendikulære på hverandre. Av den grunn må spesiell oppmerksomhet vies den mekaniske innretning av de magnetiske følere i det undergrunns-feltfølende instrument.

Elektrisk energi tilføres instrumentet 100 fra strøm-kilder på overflaten mens utgangskilden fra de forskjellige følere i instrumentet 100 føres over forbindelsesledninger 140 som er som er forbundet med en kabelkopling 142 med kontakt-stifter 144. Kabelen som instrumentet 100 henger i under måle-arbeidet,er festet til koplingshuset 106 med gjenger 146 på innsiden av koplingshuset. Ledningene som strekker seg mellom undergrunnsinstrumentet som registrerer de målte data, er koplet til kontaktstiftene 144 med et tilpasset kontaktstykke (ikke vist) .

På fig. 8 er det vist et blokkdiagram for de elektroniske detaljer ved det her beskrevne instrument for feltmålinger i undergrunnen. Elektronikken innbefatter de kretser som er nødvendige for både likestrømsmagnetfeltføle-systemet som er betegnet med henvisningstallet 200, og vekselstrømfelt-følesystemet som generelt er betegnet med henvisningstallet 300. Dessuten finnes det elektroniske kretser som skal sørge for riktig nivå i krafttilførselen til kretsene i begge systemer.

Det skal først vises til likestrømsfeltfølersystemet 200, og dette system innbefatter fire likestrømsmagnetometere 124, 132, 134 og 128 som er nevnt tidligere i forbindelse med fig. 7- Hvert av magnetometerne frembringer et utgangssignal som i amplitude og polaritet er proporsjonalt med størrelsen og retningen av den bestemte magnetfeltstyrkekomponent som hver av dem er beregnet på å påvise. Utgangssignalene fra disse magnetometere representerer X,Y,Z koordinatene hvorfra man kan avlede en resultantvektor som angir det totale påviste utvendige magnetfelt og retningen til den magnetiske kilde som målet er. Dessuten benyttes de aksiale likestrømsfeltfølere 124 og 128 til måling av Z-aksekomponentene for det påviste felt i to adskilte punkter langs borehullet. Av de målinger som fås kan målets avstand beregnes etter den avstandsmåleteknikk som er beskrevet.

Likestrømsfeltfølesystemet innbefatter i tillegg til de fire likestrømsmagnetometere en oscillator 180 som ved sin utgang gir en vekslende magnetiseringsstrøm mel en på forhånd bestemt frekvens og størrelse. Oscillatorens utgangssignal inn-føres samtidig i kjernedrivkretsen for hvert likestrømsmagneto-meter. Kjernedrivkretsen forsterker magnetiseringsstrømmen og fører dette forsterkede signal til et følekjerneelement som drives til metning ved veksling av den drivende polaritet med oscillatorens frekvens.

Pølekjernen avgir et utgangssignal som i amplitude

og polaritet er proporsjonalt med størrelsen og retningen av den magnetiske feltstyrkekomponent langs den bestemte koordinat-akse som kjernen er bestemt til å måle. Utgangssignalene fra kjernene, som har form av vekslende positive og negative pulser, representerer X, Y og Z komponentvektorene for det påviste megnetfelt. Hvis man går tilbake til blokkdiagrammet på fig. 8, vil man se at følerutgangssignalet innføres i en detektor som henholdvis likeretter positive og negative pulser differensielt, hvoretter de integreres og summeres sammen med de to kvasistatiske spenninger som allerede er lagt sammen. Utgangssignalet fra detektoren mates til en servodrivkrets hvorfra et tilbake-koplingssignal innføres i følerkjernens sekundærvikling for å danne et middel til magnetisk utlikning av signalnivåføleren

som skyldes temperaturdrift og spenningsforskyvning i de forskjellige forsterkere og magnetiske spredefelt i kjernen. Servo-drivutgangen er også koplet til en utgangsforsterker som øker kraftnivået slik at det kan sendes over de lange kabler som fører frem til overflateinstrumentet.

Vekselstrømfeltfølersystemet 170 innbefatter elektriske feltprober for påvisning av tilstedeværelse av et elektrisk felt. De elektriske feltprober 172 er koplet til en forsterker 174

som forsterker det frembrakte elektriske signal og fører dette frem til en frekvensselektiv forsterker 176. En frekvensfølsom forsterker 176 fjerner all utvending støy slik at bare det signal som inneholder informasjon blir tilbake. Signalet er da naturligvis tilgjengelig som en utgang for sending over forbindelses-kablen til overflateinstrumentet.

Den annen type føler i vekselstrømfelfølersystemet er den vekselstrømmagnetiske anordning 178. Denne føler er følsom overfor magnetfelt som varierer med tiden og som oppstår rundt en målekilde. Den frembringer et utgangssignal som er funk-sjonelt knyttet til det påviste felt. Utgangssignalet for en vekselstrømfeltføler 178 mates av en forsterker 179 for forsterkning og tilrettelegning før sending til overflateinstrumentet.

Før beskrivelsen her fortsetter av kretser for hvert likestrømmagnetometer, skal oppmerksomheten rettes mot de magnetiske følerkjerner. Av særlig interesse er det magnetiske følsomhetsmønster som er diagramatisk gjengitt på fig. 9-

Dette følsomhetsmønster kan best beskrives som formet som to kuler der kulene er forbundet med hverandre. En rotasjonsakse M kan defineres som et linjesegment som passerer gjennom kontaktpunktet for de to kuler S^ og S^j og også gjennom sentrene for begge. Perpendikulært på M og som tangert til og S^ ved kontaktpunktet ligger nullplanet P. En ytterligere akse som betegnes som en nullakse N, kan defineres som perpendikulær på og kryssende rotasjonsaksen M, hvilken nullakse ligger i nullplanet.

Utgangssignalet fra den magnetiske føler utgjør et utgangssignal som stort sett følger en kosinuskurve når følerkjernen dreies om nullaksen N. Mer bestemt vil den magnetiske føler frembringe en maksimal utgangsspenning når rotasjonsaksen M som også kan kalles akse for maksimal følsomhet, blir rettet inn med det magnetiske felt. Dette vil lettere kunne for-stås under henvisning til fig. 9. Som nevnt vil følerens utgang være på et maksimum når magnetfeltet som skal påvises blir rettet på samme måte som , det vil si u = 0°.

Hvis føleren bringes til å dreie seg om aksen M som

er aksen for maksimal følsomhet, vil man ikke ha noen forandring i følerens utgang. Når føleren er anbrakt i et magnetfelt som er rettet i en skrå vinkel på aksen for maksimal følsomhet, slik tilfellet er med feltet H2, vil følerens utgang avta som en funksjon av kosinus co. Rotasjon av føleren om en akse i nullplanet med det magnetiske felt H2 i en vinkel to på den nevnte akse vil en ikke frembringe noen forandring i følerens utgang. Hvis vinkelen to økes slik at magnetfeltet blir rettet perpendikulært på aksen for maksimal følsomhet, det vil si co = 90°,

vil følerens utgang være null. Hvis vinkelen co overskrider 90° slik at føleren kommer inn i et felt som er rettet på samme måte som feltet H^, vil følerens utgang endre seg fra positiv til negativ og den vil passere null.

På fig. 10 er det vist et diagram for undergrunnsapparatet 100 der de likestrøms magnetiske følere 124, 128, 132, 134 er gjengitt på deres respektive steder med deres karakteristiske mønstre for magnetisk feltfølsomhet. Som forklart ovenfor, fastlegger de magnetiske følere et treakse koordinatsystem der

aksen er betegnet med X' (horisontal), Y' (vertikal) og Z'

(aksial). Teoretisk kunne de magnetiske følere fastlegge koordinatakser som passerer gjennom et felles origo, men som et praktisk forhold er dette ikke mulig. Det skal imidlertid pekes på at det er ønskelig å anbringe X-akseføleren 132 og Y-aksen-føleren 134 så tett ved hverandre som fysisk mulig for å få best mulig tilnærmelse til et felles origo. Z-aksefølerne 124

og 128 er naturligvis adskilt med en bestemt avstand Ar for å kunne utføre avstandsmålingen.

Av diagrammet på fig. 10 skal man merke seg det faktum at aksene for koordinatsystemet er fastlagt av aksene for maksimal følsomhet for de magnetiske følere. Aksen for maksimal følsomhet for begge aksiale følere 124 og 128 er rettet inn med senterlinjen for apparatet 100. Apparatets senterlinjeakse svarer naturligvis til Z-aksen for koordinatsystemet. De horisontale og vertikale akser er fastlagt med aksene for maksimal følsomhet for følerne 132 og 134.

Av diagrammet på fig. 10 og den forklaring som er

gitt ovenfor når det gjelder følesomhetsmønsteret som er vist på fig. 9, vil det være klart at det magnetfelt som stråler ut fra et magnetisk mål 151 i undergrunnen, vil vanligvis treffe hver føler med ulike vinkler co på grunn av den varierende orientering for hver føler. Dette vil føre til at det frembringer forskjellige utgangssignaler fra hver føler. Utgangssignalet som frembringes vil følge formelen :■

Det fremgår videre når apparatet 100 endrer sin orientering i forhold til magnetfeltet , vil utgangen fra følerne forandre seg i overensstemmelse med den ovenfor angitte funksjon. Når f.eks. apparatet 100 roterer om Y'-aksen, vil aksen for maksimal følsomhet for den maksimale føler 124 bli mer innrettet med feltet, noe som fører til et økende utgangssignal fra føleren. Når rotasjonen finner sted som beskrevet, vil imidlertid X-akseføleren 132 også forandre sin orientering med aksen for maksimal følsomhet, og denne vil da svinge bort fra feltet. En endring av orienteringen av X-akseføleren på denne måte vil resultere i et nedsatt utgangssignal. Man vil se at rotasjonen om Y'-aksen som beskrevet, ikke vil ha noen virkning på utgangen fra Y'-akseføleren 134. Amplituden på utgangssignalet fta denne vil bli konstant idet ingen forandring i orienteringen av aksen for maksimal følsomhet i forhold til feltet finner sted. En forandring i utgangen fra'Y-akseføleren 134 vil naturligvis bli resultatet ved rotasjon av apparatet 100 om X'-aksen.

I tillegg til lederne for utgangssignalet fra like-strømsmagnetometerne i likestrømsfeltfølesystemet og utgangssignalene fra vekselstrømfeltfølesystemets følere må man ha ledere for en spenningsregulator 150 som regulerer den like-strøm som tilføres av kraftkilder på overflaten. Videre finnes det i det elektroniske utstyr i undergrunnsapparatet en vertikal føler 152 som gir informasjoner om den vertikale orientering av undergrunnsapparatet 100.

Mer bestemt vil den vertikale føler angi vinkelfor-holdet mellom følerens referanseplan som inneholder aksen M

og X-akseføleren samt loddlinjen. Normal rotasjon i borehullet om Z-aksen vil bevege X- og Y-aksene slik at disse får til-feldige orienteringer, og de vil gi øyeblikkelig verdier for vertikale og horisontale vektorkomponenter for det påviste felt når deres vinkelforhold i forhold til det vertikale og lodd-rette plan er kjent.

På fig. 11 er det vist et oscillatorkretssystem 1-8.0. Oscillatorkretsen som er vist, betegnes vanligvis som en Wien-bro-oscillator. Oscillatoren omfatter som et aktivt element, en driftforsterker 182 med en positiv tilbakekoplingskrets forbundet med den ikke-inverterende inngang og en negativ tilbakekoplingskrets som er forbundet med den inverterende inngang.

Den negative tilbakekoplingskrets styrer forsterkerens forsterk-ningsgrad og har motstander 184 og 186. Den inverterende inngang for driftsforsterkeren 182 forbinder den negative tilbake-koplingssløyfe med koplingspunktet mellom motstandene. En positiv tilbakekoplingskrets danner det annet ben av broen og omfatter to R-C kretser. Den første R-C krets har en motstand 188 og en kondensator 190 som er koplet i serie. Den annen R-C krets er en parallellkombinasjon av motstanden 192 og kondensatoren 194. Den ikke-inverterende inngang for driftsforsterkeren 182 er koplet til koplingspunktet for de to R-C kretser. Som vist er både den positive tilbakekoplingskrets og den negative tilbakekoplingssløyfe koplet til jord på en side og er forbundet med utgangsledningen 196 for driftsforsterkeren gjennom tilbake-koplingsmotstandene 198.

Oscillatorkretsen l80 danner en amplitudestabilisert sinusbølgeoscillator som har en sinusbølgeutgang med meget høy nøyaktighet. Primært avhenger frekvensstabiliteten av temperatur-stabiliteten for de komponenter som benyttes i positive og negative tilbakekoplingssløyfer. Ved denne anvendelse stilles oscillatoren fortrinnsvis inn på en frekvens på 3 kHz. Verdiene for de komponenter som gir denne frekvens er gitt i delelisten til slutt i beskrivelsen av de elektroniske komponenter. For å velge en annen frekvens skal det når det gjelder uttrykk for frekvensbestemmelse, vises til Linear Applications Handbook som kan fåes fra National Semiconductor, side AN 51-8.

Fig. 12 viser et koplingsskjerna for et likestrøm-magnetometer som kan anvendes i likestrøms magnetfeltføle-systemet. De forskjellige kretser som er vist er representative for de som er benyttet i hver av de mangentiske følere 124,

132, 134, 128. Som nevnt tidligere vil utgangen fra oscillatorkretsen 180 påtrykkes en kjernedrivkrets 200 som omfatter en bølgeformende krets og en pushpull emitterfølgende strømfor-sterker. Oscillatorens utgangssignal.påtrykkes på kjernedrivkretsen ved klemmen 201 og føres til de bølgeformende kretser ved hjelp av en vekselstrømkoplende kondensator 202. Den bølge-formende krets har en forsterkning som er noe større enn 1, fortrinnsvis omtrent 1,5- Da amplituden på oscillatorens utgangssignal ligger på eller meget nær kraftkildens grenser,vil den forsterkning som gis i den bølgeformende krets føre til at sinus-bølgen fra oscillatoren blir begrenset eller klippet. Etter klipping har bølgeformen en tilnærmet trapesoid form.

Den bølgeformende krets er hovedsakelig en inverterende forsterker-oppstilling som benytter en driftsforsterker 204,

med en tilbakekoplingssløyfe bestående av en motstand 206 som kopler mellom utgangen og den inverterende inngang for driftsforsterkeren 204. En inngangsmotstand 208 utgjør inngangskretsen og er koplet mellom den inverterende inngang til driftsforsterkeren 204 og koplingskondensatoren 202. En ikke inverterende inngang for forsterkeren 204 er koplet til jord gjennom en forspenningsmotstand 201.

Pushpull emitterfølgekretsen er koplet til den bølge-formende krets med en kondensator 212 og omfatter en NPN-transistor 214 og en PNP-transistor 216 som står på en vanlig måte. Basis i hver transistor er forbundet med koplingskondensatoren 212 gjennom en motstand 218 eller 220. En motstand 222 er koplet mellom koplingskondensatoren 212 og jord.

Som man lett vil se forsterker transistoren 214 den positve del av den tilnærmet trapesoide bølgeform fra forsterkeren 204,og transistoren 216 forsterker den negative del av denne bølgeform. Emitterne i begge transistorer 214 og 216

er koplet til en koplingskondensator 224 i serie med motstanden 226. Kondensatoren 224 kopler primærviklingen for følerens kjerne 250 til pushpull strømforsterkeren i kjernedrivkretsen 200.

Under henvisning til fig. 13 vil følerkjernen 250

bli diskutert ganske kort for å lette forståelsen av dens virkemåte, og også for å gi en tilstrekkelig bakgrunn til for-ståelse av den gjenværende del av likestrømmagnetometerets kretser som er vist på fig. 12.

Følerkjernen 250 omfatter en torus 254, og en spole 256 som er beregnet på å oppta torusdelen i en spalte 258 som er utformet i spolen. Torusdelen 254 er en båndviklet kjerne av et Supermalloy-materiale med en tykkelse på 0,02 mm og et tverrsnitt på omtrent 3x3 mm. En vikling 260 er anbrakt på torusdelen og benyttes som primærviklingen som er vist skjematisk på fig. 12. Viklingen 260 har fortrinnsvis 150 bindinger av nr. 32 tråd.

Torusspolen 256 er vist som en l-formet blokk av materiale med en spalte 258 som går vertikalt gjennom delen.

En vikling 262 er anbrakt i stegdelen av konstruksjonen og denne vikling utgjør sekundærviklingen som er skjematisk gjengitt på fig. 12. Fortrinnsvis omfatter viklingen 262 600 vindinger av nr. 32 tråd.

På fig. 14 ser man fra siden en følerkjerne 250 med torusdel 254 innsatt i spolen 256. Senterlinjeaksen M gjennom sentrum av torusdelen 254 er aksen for maksimal følsomhet. En stiplet linje viser også omrisset av to kuler S-^ og S^ som,

som forklart tidligere, benyttes til å gjengi følsomhetsmønsteret for de magnetiske følere. Fig. 14 angår den fysiske samhørig-het mellom følerkjernen 250 og følsomhetsmønsteret på fig. 9-Strøm som innføres i primærviklingen 260 på torusdelen 254 frembringer en magnetisk fluks hvis retning bestemmes av den kjente høyrehåndsregel. Tar man torusdelen 254 på fig. 13 og forutsetter at primærviklingen 260 på denne er viklet i urviserretningen fremkommer det magnetisk fluks i de retninger

som er antydet på fig. 14. Som vist er den magnetiske fluks på venstre side av kjernen rettet oppad, mens fluks på høyre side har motsatt retning. Kjernedrivkretsen 200 gir tilstrekkelig strøm til hurtig metning av toroidkjernen slik at man får forandringshastigheten for den magnetiske fluks i kjernen til å nærme seg null. Den sekundære vikling 262 er lenket med den magnetiske fluks som frembringes av strømmen i primærviklingen. En forandring i denne fluks med hensyn på tid vil frembringe en spenning i sekundærviklingen 262.

På fig. 15 er bølgeformen for den utgangsspenning man får fra sekundærviklingen 262 ved klemmen 252 vist. Utgangsspenningen vil være en rekke avvekslende positive og negative spenningsspisser. Under størstedelen av hver periode av driv-signalet vil den netto fluks som er lenket med sekundærviklingen 262 og den netto hastighetsforandring for fluksen være null på grunn av kontinuiteten i toruskjernen som danner den magnetiske bane for fluksen. I det øyeblikk da den venstre side og den høyre side går over i metningsområdet vil imidlertid en spiss bli indusert i sekundærviklingen på grunn av det faktum at begge halvdeler ikke er mettet på nøyaktig samme tid. Når det ikke finnes noen utvendig feltkomponent langs føler-aksen M,vil de positive og negative spisser ha lik amplitude som vist på fig. 15a. Når det finnes en komponent for et utvendig magnetisk felt langs føleraksen, opptrer bølgeformen som vist på fig. 15b, der de positive spisser er større i amplitude enn de negative spisser. Det finnes kretser i detektoren og i servodrivdelen til utlikning av balansering av amplituden av pulsene. Disse kretser vil bli diskutert nærmere med videre henvisning til fig. 12.

Når det gjelder fig. 14 der et utvendig magnetfelt H er rettet inn med aksen for spolen 256,vil den magnetiske fluks på høyre side av spolen 256 være større enn på den annen side. Hvis man antar at den magnetiske fluks på den høyre side har

en retning som gir positive spisser vil bølgeformen for utgangsspenningen opptre som den bølgeform som er vist på fig. 15B. Man vil se at når den magnetiske følerkjerne 250 endrer sin orientering i forhold til et utvendig magnetfelt, f.eks. det som er vist på fig. 14, vil den komponent i magnetfeltet som er rettet inn med aksen med maksimal følsomhet variere i hen-

hold til cosinus for vinkelen mellom fluksen og spolens akse. Dette forhold er allerede forklart i detalj når det gjelder følerens følsomhetsmønster på fig. 9.

Går man nu tilbake til fig. 12 ser man at utgangssignalet fra følerkjernen 250 påtrykkes detektoren 300 gjennom en koplingskondensator 302. Detektoren 300 omfatter transistorer 304 og 306 som står i et pushpull-mønster. Transistorene 304, 306 har motstander 308 og 310 som koples til deres basisledere, hvilke motstander videre er forbundet med koplingskondensatoren 302. En motstand 312 ligger mellom koplingspunktet for basis-motstandene og koplingskondensatoren 302 til jord. Transistoren 304 detektekterer de positive spisser i utgangsspenningen og transistoren 306 detekterer de negativtgående spisser i bølge-formen for følerens utgangsspenning.

De positve spisser fra transistoren 304 påtrykkes et balanserende potensiometer 330 gjennom en motstand og kapasi-tanskombinasjon som omfatter motstanden 314, motstanden 316 og kondensatoren 318. Denne kombinasjon av komponenter danner en integratorkrets og virker omtrent som en spisslesende prøve- og holdekrets for den positive spiss. På samme måte blir den negative spiss fra transistoren 396 påtrykket gjennom en motstand-og kapasitanskrets,omfattende motstanden 320, motstanden 322 og kondensatoren 324. Denne krets virker også kan man si, som en prøve- og holdekrets for den negativt gående del av følerens

utgangsbølgeform.

Som nevnt ovenfor blir både de positive og negative deler av følerens utgangsspenning påtrykket et potensiometer 3'30. Mer bestemt blir de to deler av bølgeformen påtrykket motstående ender av potensiometeret mens dens midtkontakt er til-sluttet servodrivanordningen 350. Potensiometeret 330 sammen med servodrivanordningen 350 og tilbakekoplingslinjen 360, tjener til å drive strøm gjennom sekundærviklingen 362 for å frembringe en magnetisk tilbakekopling som balanserer ut mulig ubalanse mellom amplitudene for de positive og negative spisser. Egentlig foregår balanseringen ved å justere potensiometeret 330 slik at det oppstår tilstrekkelig spenningsfall på hver side av midtkontakten til at amplituden for de positive og

negative spisser kommer på samme nivå, hvorved feilsignalet reduseres til null. Skulle ytterligere ubalanse oppstå, f.eks.

på grunn av utvendige magnetiske felt, vil forskyvningen i de relative spissamplituder føre til en forandring i utgangs-signalets amplitude og bli matet tilbake som en strøm til utgangen fra sekundærviklingen for kjernen 250, og derved skape et felt som kompenserer for denne skjevhet. På grunn av at tilbakekoplingsanordningen holder arbeidspunktet på B-H-sløyfen for den magnetiske kjerne, ved midten av magnetiserings-kraften og fordi kjernen drives i metning ved begge polariteter vil enhver forandring i permeabiliteten for kjernen, på grunn av temperaturvekslinger, bli nøyaktig utbalansert.

Servodrivanordningen 350 er hovedsakelig en forsterkerkrets med en driftsforsterker 352 som driver en Darlington-forsterker bestående av transistorer 354 og 356 sammen med motstander 358 og 362. Darlington-forsterkeren skaper en betydelig strømforsterkning og har høy inngangsmotstand uten at kretsen derved blir for komplisert. Tilbakekoplingslinjen 36O er forbundet med koplingspunktet mellom kollektoren i transistoren 354 og emitteren i transistoren 356. Tilbakekoplingslinjen 360 innbefatter en motstand 364 sammen med en variabel motstand 368. En filterkondensator 366 er koplet mellom koplingspunktet for motstandene 364 og 368 og jord. Tilbakekoplingslinjen 360 strekker seg mellom den variable motstand 368 og klemmen 252 for kjernens sekundærvikling 262.

Forsterkningen i driftsforsterkeren 352 bestemmes av kretsen som er koplet mellom servodrivanordningens utgangsledning ved kollektoren i transistoren 354 og den inverterende inngang til driftsforsterkeren 352. Mer bestemt blir forsterkning fastlagt av motstandene 370 og 372 med kondensatoren 374 benyttet for å fjerne høyfrekvente spisser for å hindre deres forsterkning og derpå følgende innføring i tilbakekoplings-sløyfen. Motstanden 376 som er koplet mellom den inverterende inngang til driftsforsterkere 352 og koplingspunktet mellom motstandene 370 og 372 tjener til å tilpasse inngangsimpedansen mellom de inverterende og ikke-inverterende innganger til driftsforsterkeren 352. For å få til en justering av forskyvningen i servodrivanordningen omfatter motstandskretsen motstander 378, 380 og en potensiometer 382. Midtkontakten i potensiometeret 382 er koplet gjennom motstanden 382 til koplingspunktet mellom motstandene 370 og 372 for å stille et

/

forspenningsnivå ved dette punkt.

Utgangen fra servodrivanordningen tas fra kollektoren

og emitteren i Darlington-forsterkerens transistorer og innførejs i utgangsforsterkeren 400 gjennom et forsterkningspotensiometer 402, som har en filterkondensator 404 koplet i parallell . I tillegg til dette er en motstand 406 plasert i kretsen foran potensiometeret 402. Porsterkningspotensiometeret 402 tjener til å justere nivået for det signal som innføres i utgangsforsterkeren. Det forsterkningsregulerende potensiometer er fortrinnsvis stilt på et punkt slik at utgangstrinnet vil arbeide uten metning når den magnetiske følerkjerne er plasert i et utvendig magnetfelt med en styrke som er så meget som det dob-belte av jordens magnetfelt. I tillegg til forsterkningspotensio-meteret innbefatter utgangsforsterkeren 400 en driftsforsterker 408 som driver en pushpull emitterfølgekrets med transistorer 410 og 412.

Motstander 4l4 og 4l6 er forbundet med basisledningen for transistorene 410 og 412. Emitterfølgekretsen mater utgangssignalet gjennom en motstand 4l8 til en utgangsklemme 420.

I tillegg til dette strekker tilbakekoplingssløyfen for ut-gangsf orsterkeren 400 seg mellom koplingspunktet for emitter-ledningene til transistorene og den inverterende inngang til 408. Kretsen som danner tilbakekoplingssløyfen, omfatter for-sterkningsbestemmende motstander 422 og 424 sammen med en filterkondensator 428 og impedanstilpasningsmotstander 426. Det utgangssignal man får fra utgangsforsterkeren 400 har tilstrekkelig kraftnivå til å sende signaler over den kabel som er koplet til instrumentene ved overflaten.

De skjematiske diagramer for både vekselstrømføle-kretsen og den elektriske feltprobekrets er vist på fig. 16.

Det fremgår at vekselstrømmagnetføleren omfatter en vikling

450 parallell med en avstemningskondensator 452. Kondensatoren benyttes for å avstemme viklingen på frekvensen for det med tiden varierende magnetfelt som skal påvises. Utgangen fra den magnetiske føler 178 innføres i en bufferforsterker 179 som er av vanlig utførelse. Bufferforsterkeren 149 omfatter en driftsforsterker 454 som har sin ikke-konverterende inngang koplet til vekselstrømmagnetføleren 178. En tilbakekoplings-sløyfe ligger mellom utgangen fra driftsforsterkeren 454 og

dens inverterende inngang, hvilken tilbakekoplingskrets omfatter en parallellkombinasjon av en motstand 456 og en kondensator 458. I tillegg til tilbakekoplingssløyfen er dessuten en motstand 460 koplet mellom den inverterende inngang til driftsforsterkeren 454 og jord. Et utgangssignal fra bufferforsterkeren 179 er koplet til utgangsklemmen 462 gjennom en koplingskondensator 464.

Ser man nu på den del av kretsen som skaper den elektriske feltfølende evne, er de elektriske feltprober 172 vist koplet til inngangskretsen for bufferforsterkeren 174. Mer bestemt er de elektriske feltprober koplet til en motstand 466 som er shuntkoplet over inngangsklemmene 468 og 470 for bufferforsterkeren 174. En ende av motstanden 466 er koplet til jord med den motsatte ende koplet til den ikke-inverterende inngang for driftsforsterkeren 472. Bufferforsterkeren 174 er av en vanlig utførelse med en tilbakekoplingskrets liggende mellom driftsforsterkerens utgang og dens inverterende inngang. Til-bakekoplingssløyf en omfatter en motstands- og kapasitanskrets bestående av en kondensator 474 og en motstand 476. I tillegg til dette er en motstand 478 koplet mellom den inverterende inngang til driftsforsterkeren 472 og jord. Utgangen fra bufferforsterkeren 174 er koplet til en frekvensselektiv forsterker 176 ved hjelp av en koplingskondensator 480.

Den frekvensselektive forsterker 176 er et aktivt filter som nyttiggjør en driftsforsterker 482. En frekvensbestemmende krets er koplet til den inverterende inngang til driftsforsterkeren 482, og denne krets bestemmer midtfrekvensen og båndbredden for filteret. Den frekvensbestemmende krets omfatter en motstand 484 som strekker seg fra utgangen for driftsforsterkeren 482 direkte til den inverterende inngang. Dessuten er en kondensator 486 koplet til den inverterende inngang for driftsforsterkeren 482. En inngangsmotstand 488 er koplet mellom koplingskondensatoren 480 og kondensatoren 486 mens koplingspunktet for motstanden 488 og kondensatoren 486 tjener som det forbindelsespunkt hvortil de øvrige komponenter i den frekventbestemmende krets er koplet. En kondensator 490 er koplet til utgangen fra driftsforsterkeren 482 og er shuntkoplet over motstanden 484 og kondensatoren 486. Sluttelig er en s-eriekopling av motstanden 492 og en potensiometer 494 koplet til koplingspunktet for motstanden 488 og kondensatoren 486. Potensiometeret 494 har til formål å regulere midtfrekvensen for det frekvente selektive bandpassfilter 176. En forspenningsmotstand 496 er koplet mellom den ikke-inverterende inngang for driftsforsterkeren 482 og jord. Sluttelig er filter-kondensatorer 498 og 499 koplet til den positve spenningsskinne resp. til den negative spenningsskinne.

Det skal nu vises til fig. 17 der man ser en hensiktsmessig spenningsregulatorkrets som gir både en regulert positiv spenning og en regulert negativ spenning som hver fortrinnsvis er 85 volt. Uregulert energi fra kraftkilden på overflaten, både +12 volt og -12 volt tilføres spenningsregulatorkretsen 150 ved klemmene 501 og 502. Spenningsregulatorkretsen 150 omfatter en spenningsregulator 504 i form av en integrert krets for den positive spenningsregulatordel og en egen integrert krets 506 for den negative spenningsregulator.

Det skal først vises til den positive spenningsregulatorkrets som tilføres +12 volts inngangsspenning fra kilden på overflaten til kretsen 504. En NPN transistor 508 har sin kollektor koplet til den innkommende strøm, og dens basisled-ning er forbundet med utgangsklemmen for den integrerte krets 504. Emitteren i transistoren 508 er koplet til den inverterende inngangsklemme for kretsen 504, hvilken inngang også er koplet til midtkontakten i et potensiometer 510. En motstand 512 er koplet mellom en side av potensiometeret 510 og den negative spenningsinngang for kretsen 504. En annen motstand 51^ er koplet mellom den motstående side av potensiometeret 510 og den strømførende klemme for kretsen 504. En frekvenskompenserende kondensator 516 er anordnet mellom strømbegrensningsklemmen i kretsen 504 og den frekvenskompenserende klemme. I tillegg er en motstand 518 anbrakt mellom den strømbegrensende klemme og den strømfølende klemme på kretsen 504. Den regulerte positive spenningsutgang tas ved koplingspunktet mellom motstandene 514 og 5l8 og er tilgjengelig ved klemmen 520.

Por den negative spenningsregulator skal det fremheves at spenningsinngangen til den integrerte krets 506 er den regulerte positive spenning som er tilgjengelig fra den positive spenningsregulatorkrets. Den uregulerte negative spenning som tilføres klemmen 502 fra strømkilden på overflaten blir videre påtrykket en Darlington forsterkerkrets omfattende en transistor 522 og 523, begge PNP transistorer, og den negative spenning påtrykkes kollektorene i transistorene. En motstand 526 er anbrakt mellom de sammenkoplede kollektorer for transistorene og basisledningen for transistoren 522. Basis i transistoren 522 er koplet til den integrerte krets 506 og emitter-ledningen for transistoren 524 er koplet gjennom en motstand 528 til den negative spenningsklemme i kretsen 506. Dessuten er emitteren i transistoren 524 koplet til en motstandskrets bestående av motstandene 530, 532 og potensiometeret 534, og denne krets muliggjør justering av utgangsspenningen. Motstandskretsen, særlig motstanden 532, er koplet til jord og midtkontakten for potensiometeret 534 er koplet til den ikke-inverterende inngang for den integrerte, krets 506. En kondensator 536 er koplet mellom den frekvenskompenserende klemme og den inverterende inngangsklemme for den integrerte krets 506. Den inverterende inngangsklemme er videre forbundet med referanse-spenningsklemmen og den negative spenningsklemme for kretsen 506 gjennom henholdsvis transistorene 538 og 540. Den regulerte negative spenning er tilgjengelig ved klemmen 542.

Ytterligere opplysninger om de positive og negative spenningsregulatorer som her er beskrevet kan fåes fra boken Linear Integrated Circuits Data Book" fra National Semiconductor, særlig sidene 1-45 til 1-49.

Spenningsregulator (150)

På fig. 18 er det vist en hensiktsmessig anordning

som kan benyttes som den vertikale referanseføler 152. Den vertikale referanseføler har som hovedformål å gi informasjoner om orienteringen av verktøyhuset 102 i forhold til vertikalplanet. Når man har informasjoner som gjelder rota-sjonsorienteringen av verktøyet 100, vil man få større nøyak-tighet når det gjelder bestemmelsen av retningen mot det magnetiske legeme som utgjør målet, fra verktøyet som er nede i hullet.

Anordningen som er vist på fig. 18 omfatter en føler med kvikksølvpotensiometer som i virkeligheten er en transduk-tor som kan måle en rotasjonsvinkel av huset om husets 102 lengdeakse. Anordningen er beregnet på å muliggjøre måling av denne vinkel uansett borehullets helning. Den teknikk som er vist innebærer bruk av en liten kule av kvikksølv 552, anbrakt for ubegrenset bevegelse i en sirkulær ikke-metallisk kulebane 554. Under påvirkning av tyngdekraften vil kvikksølvkulen alltid bevege seg langs kulebanen og søke hen til det laveste punkt. Kvikksølvkulen kommer i kontakt med et motstandselement 554

på den ene side og er i kontakt med en samlering 556 av metall på den annen side. Egentlig virker kvikksølvet på samme måte som midtkontakten i et potensiometer eller en variabel motstand .

Kvikksølvkulen holdes inne i kulebanen for å hindre kulen i å bli brutt opp ved støt eller vibrasjoner. Kulen er omgitt av et materiale med lav friksjon som har en glatt flate, og som ikke vil innvirke på kulens frie bevegelse til det laveste punkt i kulebanen. Motstandselementet bør ha en lineær variasjon i motstanden over hele sin lengde slik at man får lineær måling over hele 360°. I tillegg til dette må det mot-standsmateriale som anvendes være fysisk-forenlig med kvikk-sølvkulen for at man skal få en god ohms kontakt.

Den utførelsesform som er vist på fig. 18 har fire kontakter som fastlegger fire kvadrater I, II, III og IV..Mer bestemt blir en positiv spenning påtrykket motstandselementet i stilling 0°. En negativ spenning påtrykkes motstandselementet 554 i stilling l80°,og et jordpotensial påtrykker 'to punkter langs motstandselementet 554 i stilling 90° og stilling 270°.

Fig. 18a er en kurve som viser utgangsspenningen fra kollektorringen 556 som en funksjon av kvikksølvkulens posisjon langs kulebanen. I stillingen for 0°, det vil si når apparatets referanseplan er vertikal og referansemerket vender opp, vil kvikksølvkulen 552 være i bunnen av kulebanen. Som en følge av dette vil man ha lite eller intet spenningsfall mellom kontakten 558 og kvikksølvkulen, og derfor er spenningen på samleringens utgangsledning 560 nær opptil den tilførte positive spenning. Når huset dreier seg mot urviserretningen, vil kvikksølvkulen bevege seg langs kulebanen i kvadranten I. Etterhvert som den beveger seg på denne måte vil den spenning som opptrer ved samleringens utgangsklemme 560 avta lineært inntil den til slutt, ved stillingen for 90°,vil være 0 volt. Hvis rotasjonen av huset fortsetter over fulle 360<0> vil utgangssignalene være som vist. Som et alternativ kan den vertikale føler benytte bare to kontakter, det vil si at bare to spenningspotensialer behøver tilknyttes motstandselementet. Også her er en lineær motstand som en funksjon av rotasjonen nødvendig. Det er videre nødvendig at de to kontakter forskyves tilstrekkelig langt fra hverandre til at kvikksølv-kulen kan passere de to kontaktpunkter uten å kortslutte dem. Ved denne metode vil utgangsspenningen være lineær med rotasjonen mellom f.eks. 0° og 350°. Andre løsninger når det gjelder konstruksjonen av den vertikale føler kunne innbefatte et gyro-skop i verktøyet som skal ned i borehullet til bestemmelse av hullets orientering i forhold til en geografisk retning. En gyroavlesning måtte da tas i forhold til en kjent retning ved brønnhodet med på hverandre følgende avlesninger tatt under målingen, knyttet til den bestemte geografiske orientering. Videre kan det benyttes en pendel som fritt kan bevege seg i huset. Hvis det benyttes en pendel vil en føler av den optiske type kanskje være mer fordelaktig. For eksempel kan den opp-hengte masse ha merkede åpninger gjennom hvilke en lyskilde kunne sende en lysstråle mot en fotocellen bak platen. Utgangen fra fotocellen ville da kunne angi den orientering verktøyet har på grunn av rotasjonen.

En tilsvarende referanseføler kunne benyttes til å bestemme forandringer i orienteringen av apparatet 100 ved rotasjon om X-aksen. En føler til utførelse av den funksjon som går ut på å fastslå husets helning i borhullet ville bli plasert perpendikulært på den vertikale referanseføler 152.

Utstyret som befinner seg på overflaten er beregnet

på å motta, lede og behandle de data som fåes av føleapparatet som befinner seg i undergrunnen. Utstyret på overflaten må for å kunne passe til undergrunnsverktøyets mange følerutganger, være et flerkanalsinstrument. Føring av data i overflateutstyret foregår ved veksling og multipleksstyring. Behandling av data utføres av en programmerbar regnemaskin som mottar multipleks digitale data.

Overflateutstyret innbefatter ytterligere anordninger, såsom kraftkilder, analogdataskrivere og periferielt utstyr for regnemaskinen. Denperiferielle anordning kunne innbefatte en skriver for direkte utskrivning og en digital båndspiller for lagring av data og resultater.

På fig. 19 er vist et blokkdiagram for apparatene som anvendes på overflaten. Mottagerdelen for overflateapparatet omfatter en separat signalbehandlende forsterker 602, 604, 606, 608, for hver datakanal. Da data skal lagres og analyseres i en digitalt programmerbar regnemaskin, må data omformes fra analog form som er frembrakt nede i hullet til digital gjengivelse. For å utføre dette er en egen analog-til-digitalomformer 610, 612, 6l4, 6l6 anordnet for å motta utgangen fra hver signalbehandlende forsterker og å omdanne signalet til digital form. Den programmerbare regnemaskin 622 arbeider med en enkel dataskinne og krever derfor at det benyttes en digital multiplekser 6l8 for å lede flerkanaldata over på en enkel dataskinne til regnemaskinen. En skilleflate 620 benyttes til sammen-lenking av den digitale multiplekser 6l8 og den programmerbare regnemaskin 622. Skilleflaten 620 mottar styresignaler i ett format over en styresignalskinne 624 og på grunnlag av de styrende innganger til regnemaskinen avgir skilleflaten styresignaler av et format som passer til den digitale multiplekser 6l8. I tillegg til de digitaliserte data fra feltfølerne frembringes det også en digital gjengivelse av den dybde ved hvilken hver prøve fra følerutgangen ble tatt, og dette signal sendes til multiplekseren 6l8 for videreføring til den programmerbare regnemaskin 622. Dybdeangivelsen begynner med avlesning av en dybdeindikatoraksel og loggekabelenheten, hvilken aksel dreier en dybdeindikator 626 som gir en digital gjengivelse av dybden undergrunnsverktøyet har.

I tillegg til den digitale behandlingsdel av overflate-apparaturen finnes det også muligheter for plotting av analoge signaler. Det analoge signal som er tilgjengelig ved utgangen fra hver signalbehandlende forsterker blir påtrykket en bufferforsterker 628, 630, 632, 634. Bufferforsterkerne forsterker det signal som mottas til et tilstrekkelig nivå for drift av en tokanals strimmelskriver 636. To flertrinns vendere 638 og 634 finnes for å muliggjøre kopling av hver kanal i strimmel-skriveren 636 til en hvilken som helst av bufferforsterkerne for styring av data fra en hvilken som helst av feltfølerne.

I tillegg kan utgangene fra de signalbehandlende forsterkere påtrykkes et digitalvoltmeter 642 gjennom en velgervender 644.

Når undergrunnsføleapparatet arbeider såkalt passivt, blir analogdata som fåes fra likestrømsmagnetometerne påtrykket direkte på de tilhørende signalbehandlende forsterkere. Hvis imidlertid systemet drives aktivt, hvilket vil si at veksel-strømsfeltfølerne benyttes må vekselstrømsignalene først føres gjennom en vekselstrøm-til-likestrømomformer eller en synkrondetektor før signalene påtrykkes behandlingsforsterkerne. Bruk av den ene eller annen vil avhenge av om det er hensiktsmessig å føre en referanseleder til overflateinstrumentene. Detektorene 650 og 652 er fortrinnsvis Princeton Applied Reæarch Lock-In amplifiers, modell 122. Under forutsetning av

at de herskende forhold tillater det kan et referansesignal taes fra strømkilden og benyttes til å magnetisere målet ved brønnen. Referansesignalet påtrykkes de synkrone detektorer for å muliggjøre faselåst drift. Synkron deteksjon av føler-data resulterer i en kvasistatisk utgang som er positiv for i-fasesignaler og negativt for ute-av-fasesignaler for derved å eliminere utvetydighet når det gjelder retningen.

En koplingskrets 660 benyttes for føring av veksel-strømsignaler enten til vekselstrøm-til-likestrømomformerne 646 og 648 eller til synkrone detektorer 650 og 652. Koplings-kretsen 660 omfatter to flertrinns dobbeltpolede vendere 662

og 664.Det innkommende vekselstrømsignal påtrykkes klemmene i venderen 662. Deretter, alt etter den drift man måtte ønske, blir signalet i hver kanal påtrykket henholdsvis omformeren eller den synkrone detektor. Inngangslinjene til de signalbehandlende forsterkere 606 og 608 er koplet til venderen 664. Også alt etter arbeidsmåten stilles venderen 644 for å forbinde hver signalbehandlende forsterkerinngang med enten en veksel-til-likestrømomformer eller en synkrondetektor.

Det skal påpekes at på grunn av det begrensede antall ledere som er til rådighet i loggkabelen må forandringer også foretas i ledningsløpene for undergrunnsfeltføleapparatet for å kople vekselstrømmagnetometerets følekrets eller følekretsen for den elektriske feltprobe til utgangskoplingen for under-grunnsverktøyet.

Ved utførelse av målinger innbefattende bestemmelse

av avstand og retning til det ønskede mål fra et sted langs et skrått avlastningsborehull, med apparatet i henhold til oppfinnelsen er det nødvendig først å velge det passive eller aktive arbeidsmåte. Hvis den første brønn ikke er i brann, kan det være mulig å magnetisere brønnens foring med en elektrisk vekselstrøm for dermed å frembringe et magnetfelt rundt foringen

som deretter tjener som magnetfeltet for det mål man skal sikte seg inn på med undergrunnsapparatet.

Hvis man forutsetter at den aktive arbeidsmåte velges vil en generator, f.eks. en trefase helbølgebro bli elektrisk koplet til brønnens foring og en jordledning tas frem til en tilstøtende brønn for å danne en returbane for strømmen. Da spenningspulseringene for den likerettede vekselstrøm er seks ganger grunnfrekvensen, må vekselstrømfeltfølesystemene i under-grunnsverktøyet ha en maksimal følsomhet ved den sjette harmon-iske av kraftgeneratoren. I stedet for å bruke 360 Hz som frekvensen for største følsomhet bør den vekselstrømmagnetiske felt-føler 178 (fig. 8) og den frekvensselektive forsterker (176) avstemmes på 324 Hz for å redusere interferens og falske informasjoner som kan skyldes 60 perioders krafttilførselssystemer i nærheten. Reduksjonen av toppverdien for følsomhet krever at kraftgeneratorens styring reguleres slik at frekvensen blir 54 Hz i stedet for 60 Hz. Denne frekvensjustering ligger innenfor området man finner ved vanlig tilgjengelige generator-systeiner.

Hvis tilstrekkelig strøm kan bli drevet gjennom brønnens foring til at det dannes et magnetfelt benyttes veksel-strømf øleren. Hvis imidlertid tilstrekkelig strøm lekker ut gjennom foringen til jord kan det bli nødvendig å benytte de elektriske feltprober og påvise det elektriske felt som stråler radielt ut fra overflaten av foringen.

Med brønnens foring magnetisert av generatoren senkes undergrunnsverktøyet ned i borhull som bores og målinger foretas. Basert på data som fåes fra undergrunnsinstrumentet kan kursen på borehullet forandres. Retningen av boringen forandres inntil undergrunnsapparatet bestemmer at borehullet er rettet inn mot målets foring. Når det gjelder den elektriske feltføler, måles en maksimal spenningsgradient når elektrode-følerne er rettet inn mot målet,og når man måler en minimum-gradient vil linjen gjennom elektroden være perpendikulær på retningen mot målet. Hvis en vekselstrømmagnetisk føler benyttes, vil innretning av føleraksen mot målet finne sted når utgangen fra føleren være null.

Det er også viktig å merke seg når det gjelder fig.' 17 som viser overflateutstyr, at med aktiv arbeidsmåte vil det for bestemmelse av retningen som vekselstrømføleren er siktet inn i, nødvendig å ta et signal fra generatoren som magnetiserer foringen å sammenlikne dette med signalet fra vekselstrøm-føleren. Hvis synkron detektering benyttes påtrykkes signalet på synk referanseinngangen 653- Hvis det er foretatt koplinger som gir riktige polariteter vil følerens utgangssignal resultere i en positiv utgang som er i fase med referansesignalet fra generatoren og føleren er da rettet mot målet.

I de fleste tilfelle vil det ikke være mulig å magnetisere foringen på grunn av brann ved munningen av brønnen,

en brann som lett kan spre seg over et større område. Anvendelse av målesystemet under slike forhold må da foregå etter den passive arbeidsmåte, der likestrømmagnetometerne i apparatet benyttes til påvisning av den remanente magnetisme i foringen som sitter i brønnen.

For å orientere apparatet i forhold til geografiske koordinater på overflaten er det, som nevnt tidligere, nødven-dig å kjenne feltstyrken, retningen i forhold til magnetisk nord og inklinasjonsvinkelen for jordens magnetfelt. Alle disse verdier vil være knyttet til den nøyaktige posisjon på jordens overflate der boringen finner sted.

For å begynne målingene blir undergrunnsfeltføle-apparatet senket ned i borehullet ved hjelp av en syvleders loggekabel som er festet til koplingen på toppen av verktøyet. Apparatet stanses i en posisjon i borehullet tilstrekkelig langt vekk fra målet til at bare jordens magnetfelt måles av de magnetiske følere. Ved å måle vektorkomponentene for jordens magnetfelt i X, Y, Z koordinatsystemet for apparatet på den måte som tidligere er forklart, kan helning og acimut for borehullet bestemmes. På denne måte kan også verktøyets orientering i forhold til boreenheten på overflaten bestemmes.

Etter at orienteringen av borehullet er bestemt, hvilken orientering ikke forandrer seg radikalt med distansen på grunn av borestrengens manglende evne til å bøye seg i skarpe kurver og etterat undergrunnsapparatet er kontrollert og funnet å funksjonere riktig, senkes undergrunnsapparatet igjen ned i borehullet i en sammenhengende bevegelse. Etterhvert som instrumentet senkes foretas målinger av de magnetiske feltstyrkekomponenter. Overflateutstyret digitaliserer målingene og mater disse til den programmerbare regnemaskin som organi-serer og analyserer dataene. Disse data kan registreres på magnetbånd for senere utlesning og behandling. Behandlingen av data vil være i overensstemmelse med de likninger for avstandsmåling som tidligere er omhandlet, og vanlig vektoranalyse. Ved å foreta maskinberegninger på grunnlag av dataene kan svarene gjengis på en skriver som gir avstand og retning til det magnetiske mål fra posisjoner i bestemte dybder langs borehullet. En utskrivning av data som er knyttet til denne informasjon for hver dybde langs borehullet forteller om boreopera-sjonene skrider frem i riktig retning eller trenger korreksjon i overensstemmelse med de korreksjonslikninger som er omhandlet i beskrivelsen av fig. 5-

Som fremholdt under forklaringen av elevasjons- og acimutkorreksjonen for borehullet vil rotasjon av undergrunnsinstrumentet om dets langsgående akse innvirke på avlesningene som fåes av X-akse- og Y-aksefølerne. I praksis kan apparatet rotere uten begrensning eller det kan delvis begrenses når det gjelder fri rotasjon ved hjelp av støtter. Støttene' kan omfatte fire gummistenger som står jevnt fordelt rundt omkretsen av huset for å begrenses rotasjonsbevegelse inntil strekket i kabelen overvinner gummistengenes sperring. Rotasjon av apparatet vil i alminnelighet ikke være for stor. Imidlertid kan dette problem i høy grad reduseres ved samtidig sampling og fastholdelse av følernes utganger, slik det gjøres av overflateinstrumentene.

På grunnlag av korreksjonsvinklene for elevasjon og acimut fortsetter boringen av avlastningshullet langs en ny bane. Etterat boringen har fortsatt en passende avstand som ikke er for stor i forhold til avstanden til målet, bestemt ved siste måling, blir boringen avbrutt og undergrunnsfeltføleappa-ratet kan igjen senkes ned i borehullet for å foreta en ny måling til bestemmelse av avstanden og retningen frem til målet. Hvis målet ikke treffes helt kan det bli nødvendig å plugge igjen borehullet og delvis bore dette pånytt for å bringe av-lastningshullets bane tilstrekkelig nær målet. Hvis ny boring er nødvendig kan hullets nye bane planlegges mer nøyaktig på grunnlag av det nye kjennskap man har til målets posisjon. Riktig arbeid med det statiske feltfølesystem i undergrunnsinstrumentet for å gi størst mulig nøyaktighet vil være avhengig av presis orientering av de mekaniske og magnetiske akser for kjernene i de fire likestrømsmagnetometerfølere. Som forklart tidligere har hver føler et cosinus følsomhetsmønster, og en tredimensjonal gjengivelse av dette mønster ville være i form av et par kuler som er forbundet med hverandre. Aksen for maksimal følsomhet er en linje gjennom kulenes diametralplan og gjennom kontaktpunktet mellom kulene. En null-akse kan dessuten defineres som liggende i et plan perpendikulært på aksen for maksimal følsomhet og gjennom kontaktpunktet mellom kulene. Selv om rotasjon om aksen for maksimal følsomhet teoretisk sett ikke vil innvirke på følerens følsomhet vil, hvis de mekaniske og magnetiske akser ikke faller sammen, følerens akse for maksimal følsomhet definere en konus når føleren dreies om sin mekaniske akse. En følge av dette er at variasjoner i det magnetiske felt vil bli angitt. Størrelsen av mistilpasning av denne type kan bestemmes og tilhørende korreksjonsfaktorer kan innføres i utgangsdata som tilføres av følerne.

I tillegg til problemet med mistilpasning av aksene

i de enkelte følere har man også et problem når det gjelder å bibeholde følerne i en innbyrdes perpendikulær stilling. For å korrigere for dette problem bør de fire følere være mekanisk rettet inn så nøyaktig som mulig, og mistilpasning måles i form av utgangsmålinger når følerne anbringes i nøyaktig definerte magnetfelt. Korreksjonsfaktorer kan også bestemmes for denne type mistilpasning og faktorene innføres i de utgangsdata som er kommet fra undergrunnsinstrumentet.

Et siste problem omhandler justering av de aksiale magnetiske følere i undergrunnapparatet slik at deres magnetiske akser faller sammen med senterlinjen for det sylindriske ytre hus. Den mest hensiktsmessig løsning på dette problem er å rette inn den mekaniske akse for de aksiale magnetiske følere nøyaktig med huset og stole på den korreksjonsfaktor som er nevnt ovenfor for korrigering av følerens mistilpasning når det gjelder den magnetiske akse i forhold til følerens mekaniske akse.

Selv om det ikke er beskrevet noen teknikk for utførelse av beregningene av avstanden til målet og retningen mot dette kan enhver fagmann programmere en regnemaskin til å løse de likninger som her er omhandlet og videre kan vektoranalyse anvendes for de data som er fremkommet. Selv om beregningen kan utføres med en regnemaskin som holdes i hånden, f.eks. en HP-65, foretrekkes det å benytte en regnemaskin med betegnelsen Hewlett-Packard 9815A. Programmer for begge regnemaskiner kan settes opp på grunnlag av de instruksjoner som følger disse maskiner.

Claims

1. Fremgangsmåte til bestemmelse av avstanden r og retningen til et underjordisk mål som oppviser et magnetfelt på grunnlag av målinger utført i et nærliggende borehull, der det magnetiske felt måles i posisjoner i avstand fra hverandre i det nevnte borehull i målte avstander fra et referansepunkt, karakterisert ved: måling av den totale eksisterende magnetiske feltstyrke langs ortogonale akser i en første posisjon i borehullet tilstrekkelig langt fra målet til at dettes magnetfelt ikke påvirker målingene, slik at man bare måler jordens magnetfelt, måling av den totale eksisterende magnetiske feltstyrke langs ortogonale akser i en andre posisjon i borehullet tilstrekkelig nær målet til at dettes magnetiske feltstyrke blir overlagret jordens magnetfelt, bestemmelse av komponentverdiene for målets magnetiske feltstyrke ved å subtrahere målingene av den totale eksisterende magnetiske feltstyrke som fås i den første posisjon i borehullet fra målingene av den totale eksisterende magnetiske feltstyrke som fås i den annen posisjon i borehullet, oppløsning av komponentverdiene for målets magnetiske feltstyrke i en resultantvektor som angir retningen til målets magnetiske masse, måling av den totale eksisterende magnetiske feltstyrke i minst tre posisjoner i borehullet langs en stort sett rett linje, som representerer borehullets" akse med avstanden Ar mellom den første og andre posisjon lik avstanden mellom den annen og tredje posisjon, bestemmelse av den gjennomsnittlige gradient AH^ av den totale eksisterende magnetiske feltstyrke mellom den første og andre posisjon, bestemmelse av den gjennomsnittlige gradient AE^ for den totale eksisterende magnetiske feltstyrke mellom den annen og den tredje posisjon, bestemmelse av den gjennomsnittlige verdi av den totale eksisterende magnetiske feltstyrke mellom den første og andre av de tre posisjoner, bestemmelse av en gjennomsnittlig verdi H- av den totale eksisterende magnetiske feltstyrke mellom den annen og tredje av de tre posisjoner,og at avstanden r til målet etableres på grunnlag av de målte og bestemte verdier ut fra følgende fastlagte sammenheng:

2. Anordning til bestemmelse av avstand og retning<til et underjordisk mål som oppviser et magnetfelt fra et punkt i et tilstøtende borehull, karakterisert ved at det omfatter en magnetisk feltføleranordning som skal anbringes i borehullet, hvilken feltmåler har et langstrakt ytre hus (102) av ikke-magnetisk materiale, hvilket hus inneholder et par innbyrdes perpendikulære, radielt orien-terte magnetiske feltfølere (132, 134) og et par innrettede aksiale magnetiske feltfølere (124, 128) som står i en bestemt avstand fra hverandre i huset, og er orientert perpendikulært på de nevnte radielle magnetiske følere, hvilke følere føler den totale eksisterende magnetiske feltstyrke langs akser i rett vinkel på hverandre i punkter langs borehullet og er innrettet til å frembringe elektriske målesignaler som angir komponentene i den magnetiske feltstyrke, og overflateinstrumentering som skal koples til den magnetiske feltføler for mottagning av -de nevnte elektriske målesignaler og på grunnlag av disse skal bestemme retningen til målet og avstanden til dette, hvilken overflateinstrumentering har en analog-til-digitalomformer (610, 612, 614, 616) for digitalisering av de målte elektriske signaler, et grensesnitt (620) for omforming av formatet for de digitaliserte målte signaler til et annet format, og en regneanord-ning (622) som skal motta de omformede digitaliserte målte signaler og bestemme retningen til målet ved å løse opp målingene av de magnetiske feltstyrkekomponenter til en resultantvektor som angir retningen til det magnetiske legeme ved målet, og for beregning av avstanden til målets magnetiske legeme ved å bestemme den gjennomsnitlige gradient for den totale magnetiske feltstyrke som hersker mellom det nevnte par innrettede aksiale magnetiske feltfølere med bestemmelse av gjennomsnittsverdien for den totale magnetiske feltstyrke mellom det nevnte par innrettede aksiale magnetiske følere ut fra følgende fastlagte sammenheng :