NO164193B

NO164193B - PROCEDURE AND DEVICE FOR INSPECTION OF A DRILL.

Info

Publication number: NO164193B
Application number: NO822825A
Authority: NO
Inventors: Anthony William Russell; Michael King Russell
Original assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1981-08-20
Filing date: 1982-08-19
Publication date: 1990-05-28
Also published as: JPS5873807A; DE3230889A1; MX152695A; IT8222898A0; BR8204849A; IT1153556B; CA1189317A; CH651890A5; FR2511727B1; NO822825L; NO164193C; NL8203007A; FR2511727A1

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for inspeksjon av The invention relates to a device for inspection of

et borehull, enten kontinuerlig eller på en rekke steder som er adskilt langs borehullets lengde. Videre angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for inspeksjon av et borehull under utnyttelse av en sådan innretning. a borehole, either continuously or at a number of locations spaced along the length of the borehole. Furthermore, the invention relates to a method for inspecting a borehole using such a device.

En romlig inspeksjon eller kartlegging av banen til A spatial inspection or mapping of the path to

et borehull avledes vanligvis fra en rekke verdier av asimut-vinkelen og hellingsvinkelen tatt langs borehullets lengde. Målinger ut fra hvilke verdiene av disse to vinkler kan avledes, utføres på suksessive steder langs borehullets bane, idet avstanden mellom tilstøtende steder er nøyaktig kjent. a borehole is usually derived from a series of values of the azimuth angle and the inclination angle taken along the length of the borehole. Measurements from which the values of these two angles can be derived are carried out at successive locations along the path of the borehole, the distance between adjacent locations being precisely known.

I et borehull i hvilket jordens magnetiske felt er uendret ved tilstedeværelsen av selve borehullet, kan målinger av komponentene av jordens gravitasjons- og magnetfelter i retningen for de kappefikserte akser benyttes til å oppnå verdier for asimut-vinkelen og hellingsvinkelen, idet asimut-vinkelen måles i forhold til en jordfiksert, magnetisk referanse, f.eks. magnetisk Nord. I situasjoner hvor jordens mag-netfelt modifiseres på grunn av de lokale tilstander i ét borehull, f.eks. når borehullet er foret med en stålforing, In a borehole in which the earth's magnetic field is unchanged by the presence of the borehole itself, measurements of the components of the earth's gravitational and magnetic fields in the direction of the casing-fixed axes can be used to obtain values for the azimuth angle and the inclination angle, the azimuth angle being measured in relative to an earth-fixed, magnetic reference, e.g. magnetic North. In situations where the earth's magnetic grid field is modified due to the local conditions in one borehole, e.g. when the borehole is lined with a steel liner,

kan magnetiske målinger ikke lenger benyttes til å bestemme asimutvinkelen i forhold til en jordfiksert referanse. Under disse omstendigheter er det nødvendig å benytte et gyroskop-instrument. magnetic measurements can no longer be used to determine the azimuth angle in relation to an earth-fixed reference. In these circumstances it is necessary to use a gyroscope instrument.

GB-patentskrift nr. 1 509 293 beskriver et sådant instrument som omfatter en kappe hvis lengdeakse under bruk er sammenfallende med borehullets akse, en enkelt-frihetsgrads-gyro omfattende en ytre slingrebøyle som er montert i kappen med sin akse sammenfallende med dennes lengdeakse, en indre slingrebøyle som er montert i den ytre slingrebøyle med sin akse normalt på den ytre slingrebøyles akse, en gyrorotor som er montert i den indre slingrebøyle, en anordning for avføl-ing av vinkelbevegelse av den indre slingrebøyle i forhold til den ytre slingrebøyle, og en anordning for utøvelse av et vridningsmoment på den ytre slingrebøyle for under bruk å rotere denne om sin akse slik at den indre slingrebøyle preseserer tilbake til sin utgangsstilling, en anordning for måling av kappens rotasjonsvinkel om sin lengdeakse i forhold til den ytre slingrebøyle, og en tyngdekraft-følerenhet for måling av tre komponenter av tyngdekraften i tre ikke-koplanare retninger. GB Patent No. 1 509 293 describes such an instrument comprising a casing whose longitudinal axis in use coincides with the axis of the borehole, a single-degree-of-freedom gyro comprising an outer wobble bar mounted in the casing with its axis coinciding with its longitudinal axis, a inner wobble bar which is mounted in the outer wobble bar with its axis normal to the axis of the outer wobble bar, a gyro rotor which is mounted in the inner wobble bar, a device for sensing angular movement of the inner wobble bar in relation to the outer wobble bar, and a device for exerting a torque on the outer wobble bar to rotate it about its axis during use so that the inner wobble bar precesses back to its starting position, a device for measuring the rotation angle of the jacket about its longitudinal axis in relation to the outer wobble bar, and a gravity - sensor unit for measuring three components of gravity in three non-coplanar directions.

Dette instrument har vist seg å være ytterst pålite-lig i praksis og det har vist å være i stand til å oppnå en nøyaktighet på opptil ca. 1 0,1° i helling og ll,0° i asimut. This instrument has proven to be extremely reliable in practice and it has proven to be able to achieve an accuracy of up to approx. 1 0.1° in inclination and ll.0° in azimuth.

Den angitte maksimale helling for et sådant instrument anses vanligvis å være ca. 70° i forhold til vertikalen da inspeksjonen ved vinkler over 6 0° fører til stadig mindre nøyaktige inspeksjoner etter hvert som hellingen øker. Med tendensen i retning av boring med stor helling er det imidlertid et øk-ende behov for et instrument eller en innretning med en nøy-aktighet i asimut som er av samme størrelsesorden som den som kan oppnås med hensyn til helling. The stated maximum slope for such an instrument is usually considered to be approx. 70° in relation to the vertical as the inspection at angles above 60° leads to increasingly less accurate inspections as the slope increases. However, with the trend towards high slope drilling, there is an increasing need for an instrument or device with an accuracy in azimuth of the same order of magnitude as that which can be achieved with respect to slope.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe It is an object of the invention to provide

et nytt arrangement for overvåkning av retningen av et borehull og som er i stand til å utføre inspeksjoner med høy nøyaktig-het,, også ved høye hellingsvinkler. Videre er det et formål med oppfinnelsen å eliminere kilden til asimutfeil som er knyttet til behovet for en komplisert kappereferanse-innrettingsprosedyre som benyttes i tidligere kjente arrangementer, og å muliggjøre at målinger kan tas kontinuerlig under inspek-sjonskjøringen uten noe behov for å stanse for avdriftshastighetskontroller. a new arrangement for monitoring the direction of a borehole and which is capable of performing inspections with high accuracy, even at high angles of inclination. Furthermore, it is an object of the invention to eliminate the source of azimuth error associated with the need for a complicated cutter reference alignment procedure used in previously known arrangements, and to enable measurements to be taken continuously during the inspection run without any need to stop for drift rate checks .

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en innretning for inspeksjon av et borehull, omfattende en langstrakt kappe hvis lengdeakse under bruk er sammenfallende med borehullets akse, en ytre slingrebøyle som er svingbart montert i kappen med sin svingeakse sammenfallende med kappens lengdeakse, According to the invention, a device for inspecting a borehole is provided, comprising an elongated casing whose longitudinal axis during use coincides with the axis of the borehole, an outer wobble bracket which is pivotably mounted in the casing with its axis of rotation coinciding with the longitudinal axis of the casing,

en hastighetsgyroskopenhet-som er montert i den ytre slingre-bøyle, en vridningsanordning for utøvelse av et vridningsmoment på den ytre slingrebøyle, en tyngdekraftfølerenhet for avføling av to tyngdekraftkomponenter i to tverrgående retninger, og en anordning for bestemmelse av innretningens høysidevinkel under en inspeksjonskjøring ut fra de avfølte tyngdekraftkomponenter, hvilken innretning er kjennetegnet ved at gyroskopenheten er innrettet til å tilveiebringe utgangssignaler som indikerer rotasjonshastighetene om den ytre slingrebøyles akse og en akse på tvers av den ytre slingrebøyles akse, og a velocity gyroscope unit-which is mounted in the outer wobble hoop, a twisting device for exerting a torque on the outer wobble hoop, a gravity sensor unit for sensing two gravity components in two transverse directions, and a device for determining the high side angle of the device during an inspection run from the sensed gravity components, which device is characterized in that the gyroscope unit is adapted to provide output signals indicative of the rotational velocities about the outer wobble bar axis and an axis transverse to the outer wobble bar axis, and

at innretningen videre omfatter en første påvirkningsanordning for påvirkning av vridningsanordningen når innretningen er anbrakt ved borehullets munning, for å dreie den ytre slingre-bøyle om sin akse, slik at innrettingen av den nevnte tverrakse i forhold til en Øst/Vest-retning under drift bestemmes ut fra rotasjonshastigheten om den nevnte tverrakse avfølt av gyroskopenheten, en andre påvirkningsanordning for påvirkning av vridningsanordningen som reaksjon på rotasjonshastigheten om den ytre slingrebøyles akse avfølt av gyroskopenheten under en inspeksjonskjøring, for å stabilisere den ytre slingrebøyle om sin akse, og en tredje påvirkningsanordning for påvirkning av vridningsanordningen som reaksjon på rotasjonshastigheten om den nevnte tverrakse avfølt av gyroskopenheten under en inspeksjonskjøring ved høye hellingsvinkler, for å opprettholde høysidevinkelen på null. that the device further comprises a first influencing device for influencing the twisting device when the device is placed at the mouth of the borehole, to rotate the outer wobble hoop about its axis, so that the alignment of the said transverse axis in relation to an East/West direction during operation is determined based on the speed of rotation about the said transverse axis sensed by the gyroscope unit, a second impact device for influencing the twisting device in response to the speed of rotation about the axis of the outer wobble bar sensed by the gyroscope unit during an inspection run, to stabilize the outer wobble bar about its axis, and a third influence device for impact of the twisting device in response to the rate of rotation about said transverse axis sensed by the gyroscope unit during an inspection run at high bank angles, to maintain the high bank angle at zero.

Anvendelsen av et to-akset hastighetsgyroskop gjør det mulig å oppnå en nøyaktighet som er bedre enn ±0,1° i helling og ±0,2° i asimut. En gyrokompassteknikk kan benyttes til å innrette den ytre slingrebøyle med sann Nord og dette eliminerer behovet for den kappereferanse-innrettingsprosedyre som for tiden benyttes i forbindelse med konvensjonelle gyroskopinstrumenter og som kan være en hovedkilde til asimutfeil. For hellinger over 45° kan den ytre slingrebøyle vris for å opprettholde høysidevinkelen lik null, og hastighetsmålingen av gyroskopet om tverraksen kan benyttes til å beregne asimut-verdien etter hvert som innretningen eller instrumentet vandrer langs borehullets bane. The use of a two-axis rate gyro makes it possible to achieve an accuracy better than ±0.1° in inclination and ±0.2° in azimuth. A gyrocompass technique can be used to align the outer wobble hoop with true North and this eliminates the need for the cap reference alignment procedure currently used in conjunction with conventional gyroscope instruments which can be a major source of azimuth error. For slopes above 45°, the outer wobble bar can be rotated to maintain the highside angle equal to zero, and the velocity measurement of the gyroscope about the transverse axis can be used to calculate the azimuth value as the device or instrument travels along the borehole path.

Ifølge oppfinnelsen er det videre tilveiebrakt en fremgangsmåte for inspeksjon av et borehull under utnyttelse av en inspeksjonsinnretning som omfatter en langstrakt kappe hvis lengdeakse er sammenfallende med borehullets akse, en ytre slingrebøyle som er svihgbart montert i kappen med sin svingeakse sammenfallende med dennes lengdeakse, og en hastighetsgyroskopenhet som er montert i den ytre slingrebøyle, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved at gyroskopenheten er innrettet til å tilveiebringe utgangssignaler som indikerer rotasjonshastighetene om den ytre slingrebøyles akse og en akse på tvers av den ytre slingrebøyles akse, og at fremgangs-måten omfatter de trinn å anbringe inspeksjonsinnretningen ved borehullets munning, å avføle rotasjonshastigheten om den nevnte tverrakse ved hjelp av gyroskopenheten og utøve et vridningsmoment på den ytre slingrebøyle for å dreie den ytre slingrebøyle om sin akse, slik at innrettingen av tverraksen i forhold til en Øst/Vest-retning bestemmes ut fra den avfølte hastighet, å bevege inspeksjonsinnretningen langs borehullet for å utføre en inspeksjonskjøring, å avføle rotasjonshastigheten om den ytre slingrebøyles akse ved hjelp av gyroskopenheten under inspeksjonskjøringen, og utøve et vridningsmoment på den ytre slingrebøyle i avhengighet av den avfølte hastighet for å stabilisere den ytre slingrebøyle om sin akse, å avføle to tyngdekraftkomponenter i to tverrgående retninger i forhold til den ytre slingrebøyle eller kappen, ved høye hellingsvinkler av borehullet å avføle rotasjonshastigheten om den nevnte tverrakse ved hjelp av gyroskopenheten under inspeksjonskjøringen, og utøve et vridningsmoment på den ytre slingrebøyle i avhengighet av den avfølte hastighet for å opprettholde høysidevinkelen bestemt ut fra de avfølte tyngdekraftkomponenter, på null, og å bestemme i det minste borehullets helling og asimut på et antall steder langs borehullets lengde ut fra de avfølte tyngdekraftkomponenter. According to the invention, there is further provided a method for inspecting a borehole using an inspection device which comprises an elongated casing whose longitudinal axis coincides with the axis of the borehole, an outer wobble bracket which is oscillatingly mounted in the casing with its pivot axis coinciding with its longitudinal axis, and a speed gyroscope unit which is mounted in the outer wobble bar, which method is characterized in that the gyroscope unit is arranged to provide output signals indicating the rotational speeds about the outer wobble bar's axis and an axis across the outer wobble bar's axis, and that the method comprises the steps of placing the inspection device at the mouth of the borehole, sensing the rate of rotation about the said transverse axis by means of the gyroscope unit and exerting a torque on the outer wobbler to rotate the outer wobbler about its axis, so that the alignment of the transverse axis in relation to an East/West direction is determined based on the sensed speed, to move the inspection device along the borehole to perform an inspection run, to sense the rotational speed about the axis of the outer wobble bar by means of the gyroscope unit during the inspection run, and to exert a torque on the outer wobble bar depending on the sensed speed to stabilize it outer wobble hoop about its axis, to sense two gravity components in two transverse directions in relation to the outer wobble hoop or casing, at high inclination angles of the borehole to sense the rotational speed about the said transverse axis by means of the gyroscope unit during the inspection run, and to exert a torque on the outer wobble hoop depending on the sensed velocity to maintain the highside angle determined from the sensed gravity components at zero, and to determine at least the borehole inclination and azimuth at a number of locations along the length of the borehole from the sensed gravity components.

For at oppfinnelsen skal kunne forstås mer fullsten-dig, skal to foretrukne utførelser av oppfinnelsen i det føl-gende beskrives som eksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk perspektivriss av en første innretning med sin kappe vist i snitt, fig. 2 viser et delvis gjennomskåret perspektivriss av en dynamisk avstemt gyro som utgjør en del av den første innretning, fig. 3 viser en skjematisk fremstilling som illustrerer en transformasjon mellom to sett referanseakser, fig. 4-6 er diagrammer som illustrerer forskjellige trinn i den på fig. 3 viste transformasjon, og fig. 7 er et diagram som illustrerer sammenhengen mellom to sett referanseakser. In order for the invention to be understood more fully, two preferred embodiments of the invention will be described in the following as examples with reference to the drawings, where fig. 1 shows a schematic perspective view of a first device with its cover shown in section, fig. 2 shows a partially cut-away perspective view of a dynamically tuned gyro which forms part of the first device, fig. 3 shows a schematic representation illustrating a transformation between two sets of reference axes, fig. 4-6 are diagrams illustrating various steps in the FIG. 3 showed transformation, and fig. 7 is a diagram illustrating the relationship between two sets of reference axes.

Idet det henvises til fig. 1, omfatter innretningen eller instrumentet inne i en kappe 10 hvis lengdeakse er sammenfallende med borehullaksen, et to-akset, dynamisk avstemt gyroskop 12 som er montert i en ytre slingrebøyle .13 på en ytre slingrebøyleaksel 14 som er forsynt med øvre og nedre, ytre slingrebøylelagre 16 og 18 som understøttes av øvre og nedre lagerfester 17 og 19 for den ytre slingrebøyle. Det avstemte gyroskop 12 omfatter et gyrohjul 46 med en rotasjons- eller spinnakse som står normalt på den ytre slingrebøyles akse, Referring to fig. 1, the device or instrument comprises, within a casing 10 whose longitudinal axis coincides with the borehole axis, a two-axis, dynamically tuned gyroscope 12 which is mounted in an outer wobble hoop .13 on an outer wobble hoop shaft 14 which is provided with upper and lower, outer sway bar bearings 16 and 18 which are supported by upper and lower bearing mounts 17 and 19 for the outer sway bar. The tuned gyroscope 12 comprises a gyro wheel 46 with a rotation or spin axis which is normal to the axis of the outer wobble bar,

en første svingeakse på tvers av spinnaksen og en andre svingeakse normalt på den første svingeakse og på tvers av spinnaksen. Den ytre slingrebøyles aksel 14 er også forsynt med en vridningsnrjmentmotor 22 og en rotasjons-posisjonsføler 26 som bæres av et følerfeste 28., Posisjonsføleren 26 omfatter én stator som inneholder to spoler med akser som står vinkelrett på hverandre, og en rotor som omfatter et tilsvarende par av innbyrdes vinkel-rette spoler. Dersom et referansesignal tilføres til den ene av spolene på rotoren og den andre spole på rotoren er jordet, og utgangssignalene fra de to spoler på statoren er a og b, a first pivot axis transverse to the spin axis and a second pivot axis normal to the first pivot axis and transverse to the spin axis. The outer wobbler's shaft 14 is also provided with a twisting mechanism motor 22 and a rotation position sensor 26 which is carried by a sensor mount 28. The position sensor 26 comprises a stator which contains two coils with axes which are perpendicular to each other, and a rotor which comprises a corresponding pair of mutually perpendicular coils. If a reference signal is supplied to one of the coils on the rotor and the other coil on the rotor is grounded, and the output signals from the two coils on the stator are a and b,

er a/b lik tangenten ti vinkelen <®>]_ mellom en referanseretning i forhold til kappen 10 og en referanseretning i forhold til den ytre slingrebøyles aksel 14. Innretningen omfatter også en tyngdekraftfølerenhet 30 som inneholder tre akselerometre som er montert på den ytre slingrebøyles aksel 14. is a/b equal to the tangent ti the angle <®>]_ between a reference direction in relation to the casing 10 and a reference direction in relation to the outer sway bar's shaft 14. The device also comprises a gravity sensor unit 30 which contains three accelerometers which are mounted on the outer sway bar axle 14.

Idet det henvises til fig. 2, omfatter det dynamisk avstemte gyroskop 12 et hus 32 som er festet til den ytre slingrebøyle 13, en aksel 34 som er roterbar i forhold til huset 32 og den ytre slingrebøyle 13 om spinnaksen 35 og er forsynt spinnakselagre 36, og en drivmotor 40 omfattende en rotor 42 som er festet til akselen 34, og en stator 44 som er festet til huset 32. Gyrohjulet 46 er koblet til akselen 34 ved hjelp av et universalledd omfattende en indre slingrebøyle 48 som er svingbar om den første svingeakse ved hjelp av tor-sjonsfjærer 50 som strekker seg mellom akselen 34 og den indre slingrebøyle 48, idet gyrohjulet 46 er svingbart om den andre svingeakse normalt på den første svingeakse ved hjelp av tor-sjonsfjærer 52 som strekker seg mellom den indre slingrebøyle 48 og gyrohjulet 46. Referring to fig. 2, the dynamically tuned gyroscope 12 comprises a housing 32 which is attached to the outer wobble hoop 13, a shaft 34 which is rotatable relative to the housing 32 and the outer wobble hoop 13 about the spin axis 35 and is provided with spin shaft bearings 36, and a drive motor 40 comprising a rotor 42 which is fixed to the shaft 34, and a stator 44 which is fixed to the housing 32. The gyro wheel 46 is connected to the shaft 34 by means of a universal joint comprising an inner wobble bar 48 which is pivotable about the first pivot axis by means of tor- torsion springs 50 which extend between the shaft 34 and the inner wobble hoop 48, the gyro wheel 46 being pivotable about the second pivot axis normally on the first pivot axis by means of torsion springs 52 which extend between the inner wobble hoop 48 and the gyro wheel 46.

Gyrohjulet 46 omfatter en permanentmagnetring 54 og The gyro wheel 46 comprises a permanent magnet ring 54 and

en ringformet fordypning eller utsparing 56 som ligger i umid-delbar nærhet av permanentmagnetringen 54 og i hvilken det strekker seg fire vridningsspoler 57-60 som er festet til an annular depression or recess 56 which lies in the immediate vicinity of the permanent magnet ring 54 and in which extend four torsion coils 57-60 which are attached to

huset 32, idet spolen 57 er anbrakt diametralt motsatt av spolen 59 og spolen 58 er anbrakt diametralt motsatt av spolen i 60. En rekke "avplukkere" eller oppfangere (engelsk: pick-offs) 62 som er festet til huset 32, tjener til å avføle vin-kelforskyning av gyrohjulet 46 om de to innbyrdes perpendiku-lære akser. Under drift av gyroen blir det vridningsmoment som utøves på gyrohjulet 46 av torsjonsfjærene 50 og 52, opp-veid av det negative vridningsmoment som frembringes som følge av den indre slingrebøyles 48 dynamiske virkning som varierer proporsjonalt med kvadratroten av gyrohjulets 46 hastighet. Det er derfor bare én hastighet, dvs. den avstemte hastighet, ved hvilken de positive fjærvridningsmomenter oppheves av den dynamiske virkning. Ved den avstemte hastighet er gyrohjulet 46 avkoblet fra akselen 34 og virker således som en fri gyro. the housing 32, the coil 57 being placed diametrically opposite to the coil 59 and the coil 58 being placed diametrically opposite to the coil in 60. A series of pick-offs 62 which are attached to the housing 32 serve to sensing angular displacement of the gyro wheel 46 about the two mutually perpendicular axes. During operation of the gyro, the torque exerted on the gyro wheel 46 by the torsion springs 50 and 52 is offset by the negative torque produced as a result of the dynamic effect of the inner wobble bar 48 which varies proportionally with the square root of the gyro wheel 46 speed. There is therefore only one speed, i.e. the tuned speed, at which the positive spring torques are canceled out by the dynamic action. At the adjusted speed, the gyro wheel 46 is disconnected from the shaft 34 and thus acts as a free gyro.

Fig. 3 illustrerer skjematisk et borehull 80 og forskjellige referanseakser i forhold til hvilke borehullets 80 orientering kan defineres, idet disse akser omfatter et sett jordfikserte akser ON, OE og OV hvor OV er vertikalt nedover, ON er rett Nord og OE er rett Øst, og et sett kappefikserte akser OX, OY og OZ hvor OZ ligger langs borehullets lokale retning på en målestasjon og OX og OY ligger i et plan normalt på denne retning. Settet av jordfikserte akser kan roteres inn i settet av kappefikserte akser ved hjelp av følgende tre rotasjoner med urviseren: Fig. 3 schematically illustrates a borehole 80 and different reference axes in relation to which the orientation of the borehole 80 can be defined, these axes comprising a set of earth-fixed axes ON, OE and OV where OV is vertically downwards, ON is due North and OE is due East, and a set of casing-fixed axes OX, OY and OZ where OZ lies along the borehole's local direction at a measuring station and OX and OY lie in a plane normal to this direction. The set of earth-fixed axes can be rotated into the set of mantle-fixed axes using the following three clockwise rotations:

1) rotasjon om aksen OV gjennom asimutvinkelen 1' som vist på fig. 4, 2) rotasjon om ^aksen OE-j_ gjennom hellingsvinkelen 0 som vist på fig. 5, 3) rotasjon om aksen OZ gjennom høysidevinkelen 0 som vist på fig. 6. 1) rotation about the axis OV through the azimuth angle 1' as shown in fig. 4, 2) rotation about the ^axis OE-j_ through the inclination angle 0 as shown in fig. 5, 3) rotation about the axis OZ through the high side angle 0 as shown in fig. 6.

Fig. 7 illustrerer skjematisk sammenhengen mellom de kappefikserte akser OX, OY og OZ og et sett ytter-slingre-bøyle-f ikserte akser OX' ,, OY' og OZ 1 hvor aksene OZ og OZ ' er sammenfallende og er betegnet med OZZ' på figuren. Denne figur viser også sammenhengen mellom høysidevinkelen 0 og vinkelen 0]_ målt av posisjonsføleren 26, idet 02 er den høysidevinkel som ville bli oppnådd dersom innretningen skulle bevege seg til et målested'uten rotasjon om den kappefikserte akse OZ. Vinkelen <$>2 er åpenbart avhengig av formen på den bane som skal følges av innretningen. Det vil innses 0 = 0-^ + 02 dersom de kappefikserte, jordfikserte og ytter-slingrebøyle-fikserte akser er sammenfallende ved borehullets munning. Fig. 7 schematically illustrates the relationship between the shell-fixed axes OX, OY and OZ and a set of outer-sling-hoop-fixed axes OX',, OY' and OZ 1 where the axes OZ and OZ' coincide and are denoted by OZZ' on the figure. This figure also shows the relationship between the high side angle 0 and the angle 0]_ measured by the position sensor 26, 02 being the high side angle that would be obtained if the device were to move to a measuring location without rotation about the jacket-fixed axis OZ. The angle <$>2 obviously depends on the shape of the path to be followed by the device. It will be realized that 0 = 0-^ + 02 if the casing-fixed, ground-fixed and outer-sling-bracket-fixed axes coincide at the mouth of the borehole.

De tre akselerometre i følerenheten er innrettet til The three accelerometers in the sensor unit are designed to

å avføle tyngdekraftkomponenter gx'» gy og gZi langs de tre innbyrdes ortogonale ytter-slingrebøyle-fikserte akser OX<1>, to sense gravity components gx'» gy and gZi along the three mutually orthogonal outer-sway bar-fixed axes OX<1>,

OY' og OZ<1>, idet aksen OZ<1> er sammenfallende med borehullaksen. Alternativt kan de tre akselerometre være montert på kappen 10 og innrettet til å avføle tyngdekraftkomponenter 9x ' 9y °9 9z langs de tre innbyrdes ortogonale, kappefikserte akser OX, OY og OZ. OY' and OZ<1>, with the axis OZ<1> coinciding with the drill hole axis. Alternatively, the three accelerometers can be mounted on the jacket 10 and arranged to sense gravity components 9x ' 9y °9 9z along the three mutually orthogonal, jacket-fixed axes OX, OY and OZ.

Dersom akselerometrene er montert på kappen, er tyngdekraf tvektoren g <=><g>x> u"x+gy .UY+gz .Uz, hvor Ux, Uy og Uz er enhetsvektorene i respektive av de kappefikserte akseretninger OX, OY og OZ. Dersom akselerometrene er montert på den ytre slingrebøyle, er tyngdekraf tvektoren 9 <=> 9xr *^x' + gy, .Uy,+gz, .U , hvor U"x, Uy, og Uz, er enhetsvektorene i respektive av de ytter-slingrebøyle-fikserte akseretninger OX', OY' og OZ'. ;Man har således ;Dersom U„, U_ og U„ er enhetsvektorene i respektive av de jordfikserte akseretninger ON, OE og OV, representerer, ifølge definisjonen av vinklene 0, 0 og f, vektoroperasjons-likningen U = {f} {6} {0} Uvv„ transformasjonssammen-NEV hengen mellom settene av enhetsvektorer i de to systemer hvor ;Vektoroperasjohen Uxyz = {0} <T>{e}<T> {y}TUNEV;representerer transformasjonssammenhengen i den motsatte retning. ;Innretningen eller instrumentet kan drives i tre adskilte målefaser for å oppnå tre separate målinger. Med innretningen anbrakt vertikalt ved borehullets munning, dvs. med OZ<1->aksen innrettet med OV-aksen, kan for det første en gyrokompassteknikk benyttes til å innrette en differanse-vinkelstilling av den ytre slingrebøyle 13 med sann Nord. Gyrohjulets 46 rotasjonshastighet om OX'-aksen som følge av jordens rotasjon målt av de behørige oppfangere 62 på den avstemte gyro 12 mates tilbake til vridningsmomentmotoren 22 via en passende styrekrets og benyttes til å dreie eller svinge den ytre slingrebøyle 13 inntil jordens rotasjonshastighet målt om OX'-aksen ved hjelp av den avstemte gyro 12 er null når spinnaksen 35 (OY'-aksen) må ligge Nord/ Syd og OX-aksen må ligge Øst/Vest. Denne Nord-søkende gyro-kampassfase eliminerer behovet for den kappereferanse-innrettingsprosedyre som for tiden benyttes med konvensjonelle gyroskopinstrumenter og som kan være en hovedkilde til asimutfeil. ;I en andre målefase, som kan anvendes på borehull-hellinger på 0-45° med vertikalen, måles borehullets helling enten kontinuerlig eller på en rekke steder langs borehullets lengde ved hjelp av den inspeksjonsmetode som er beskrevet ;i GB patentskrift nr. 1 509 293, bortsett fra at den opp-rinnelige innrettingsreferanse oppnås slik som beskrevet foran i forbindelse med den første målefase. Gyrohjulets 46 rotasjonshastighet om OZ'-aksen målt av de behørige oppfangere 62 på den avstemte tyro 12 mates tilbake ved hjelp av en passende styrekrets til vridningsmomentmotoren 22 og benyttes til å stabilisere den ytre slingrebøyle 13 om OZ'-aksen, for å opprettholde innrettingen av OY'-aksen i det ;vertikale plan som ligger Nord/Syd. Den ytre slingrebøyle 13 oppfører seg derfor som en stabilisert enkeltakse-plattform om sin akse OZ' som sammenfaller med kappeaksen OZ. Kappens 10 nettorotasjon om OZ-aksen målt i forhold til en ytre slingrebøylereferanse er således lik summen av alle rotasjoner av kappen 10 om de momentane OZ-retninger etter hvert som innretningen eller instrumentet beveges langs borehullets bane, og er klart uavhengig av den fulgte bane. ;Med det instrument som er beskrevet i GB patentskrift nr. 1 509 293, er avdriftshastigheter av den ytre slingre-bøyle om OZ-aksen av størrelsesorden 1° til 10° pr. time, ;og avdriftshastighetskontroller utføres under inspeksjonen. På denne måte kan det oppnås en hastighetsmålenøyaktighet av størrelsesorden 0,5° pr. time. Ved benyttelse av innretningen eller instrumentet som er beskrevet foran, kan det derimot oppnås en hastighetsmålenøyaktighet av størrelses-orden 0,1° pr. time, og det finnes ikke noe behov for å stoppe for avdriftshastighetskontroller under inspeksjonen. Med passende programmering av systemet for å korrigere akselerometer-utgangssignalene for virkningene av at instrumentet beveger seg langs en ikke-rettlinjet bane under inspeksjonen, kan denne målefase utføres i en kontinuerlig operasjon. ;I en tredje målefase, som kan anvendes på borehull-hellinger over 45° med vertikalen, vris den ytre slingre-bøyle 13 ved hjelp av vridningsmomentmotoren 22 for å opprettholde høysidevinkelen 0 som er målt av tyngdekraftføler-enheten 30, på null. Dersom de tre akselerometre avgir tyngdekraftkomponenter langs de kappefikserte akser OX, OY og OZ på henholdsvis gv, g og g„, vil hellingsvinkelen ø være gitt ved: og høysidevinkelen 0 vil være gitt ved: ;Komponenten<e> g X , g Y og g„ it må korrigeres for virkningene av at instrumentet vandrer langs en ikke-rettlinjet bane. ;Målingen av gyrohjulets 46 rotasjonshastighet om OX<1->aksen slik den måles av de behørige oppfangere 62 på den avstemte gyro 12, kan deretter benyttes til å beregne asimut-vinkelen ¥ etter hvert som innretningen beveger seg langs borehullets bane. Den hastighet som måles om OX'-aksen, ;er rv = ojy + ftv hvor uiv er innretningens rotasjonshastighet ;x A x x ;om OX'-aksen og °,v er jordens rotasjonshastighet om OX'-aksen. Da 0 = 0, kan asimutvinkelen ¥ beregnes ut fra tidsintegralet f , hvor Y =-u> x/sin 0 = - (rx~^x) sinØ hvor £2X = R1]?-cos4' • cos 0 <+ >P^-sin 0, RT = RE*cos X og. RR = R£ .sinX hvor R^, er jordens rotasjonshastighet om sin akse og X er den geografiske bredde. If the accelerometers are mounted on the mantle, the gravity vector g <=><g>x> u"x+gy .UY+gz .Uz, where Ux, Uy and Uz are the unit vectors in respective of the mantle-fixed axis directions OX, OY and OZ . If the accelerometers are mounted on the outer sway bar, the gravity vector is 9 <=> 9xr *^x' + gy, .Uy,+gz, .U , where U"x, Uy, and Uz, are the unit vectors in respective of the outer sway bar-fixed axis directions OX', OY' and OZ'. ;One thus has ;If U„, U_ and U„ are the unit vectors in respective of the earth-fixed axis directions ON, OE and OV, represent, according to the definition of the angles 0, 0 and f, the vector operation equation U = {f} {6} {0} Uvv„ transformation connexion-NEV hung between the sets of unit vectors in the two systems where ;The vector operation Uxyz = {0} <T>{e}<T> {y}TUNEV;represents the transformation connexion in the opposite direction. The device or instrument can be operated in three separate measurement phases to obtain three separate measurements. With the device placed vertically at the mouth of the borehole, i.e. with the OZ<1->axis aligned with the OV axis, firstly, a gyrocompass technique can be used to align a differential angular position of the outer wobble bracket 13 with true North. The rotational speed of the gyro wheel 46 about the OX' axis as a result of the earth's rotation as measured by the appropriate detectors 62 on the tuned gyro 12 is fed back to the torque motor 22 via a suitable control circuit and is used to turn or swing the outer wobble bar 13 until the earth's rotational speed measured about OX The '-axis by means of the tuned gyro 12 is zero when the spin axis 35 (OY'-axis) must lie North/South and the OX-axis must lie East/West. This North-seeking gyro campass phase eliminates the need for the capping reference alignment procedure currently used with conventional gyroscope instruments which can be a major source of azimuth error. In a second measurement phase, which can be applied to borehole inclinations of 0-45° with the vertical, the borehole inclination is measured either continuously or at a number of places along the length of the borehole using the inspection method described in GB patent document no. 1 509 293, except that the initial alignment reference is obtained as described above in connection with the first measurement phase. The rotational speed of the gyro wheel 46 about the OZ' axis as measured by the appropriate pickups 62 on the tuned tyro 12 is fed back by means of a suitable control circuit to the torque motor 22 and is used to stabilize the outer wobble bar 13 about the OZ' axis, to maintain the alignment of The OY' axis in the vertical plane which lies North/South. The outer sway bar 13 therefore behaves as a stabilized single-axis platform about its axis OZ' which coincides with the cutting axis OZ. The net rotation of the casing 10 about the OZ axis measured in relation to an external wobble reference is thus equal to the sum of all rotations of the casing 10 about the instantaneous OZ directions as the device or instrument is moved along the path of the borehole, and is clearly independent of the path followed. With the instrument described in GB Patent No. 1 509 293, drift rates of the outer wobble hoop about the OZ axis are of the order of 1° to 10° per second. hour, ;and drift rate checks are carried out during the inspection. In this way, a speed measurement accuracy of the order of 0.5° per second can be achieved. hour. By using the device or instrument described above, however, a speed measurement accuracy of the order of 0.1° per second can be achieved. hour, and there is no need to stop for drift rate checks during the inspection. With appropriate programming of the system to correct the accelerometer outputs for the effects of the instrument moving along a non-straight path during the inspection, this measurement phase can be performed in a continuous operation. ;In a third measurement phase, which can be applied to borehole inclinations above 45° to the vertical, the outer wobble bracket 13 is rotated by means of the torque motor 22 to maintain the high side angle 0 measured by the gravity sensor unit 30 at zero. If the three accelerometers emit gravity components along the sheath-fixed axes OX, OY and OZ of gv, g and g„ respectively, the inclination angle ø will be given by: and the elevation angle 0 will be given by: ;The component<e> g X , g Y and g„ it must be corrected for the effects of the instrument traveling along a non-straight path. The measurement of the rotational speed of the gyro wheel 46 about the OX<1> axis as measured by the appropriate interceptors 62 on the tuned gyro 12 can then be used to calculate the azimuth angle ¥ as the device moves along the path of the borehole. The speed measured about the OX'-axis is rv = ojy + ftv where uiv is the device's rotation speed ;x A x x ;about the OX'-axis and °,v is the earth's rotation speed about the OX'-axis. Since 0 = 0, the azimuth angle ¥ can be calculated from the time integral f , where Y =-u> x/sin 0 = - (rx~^x) sinØ where £2X = R1]?-cos4' • cos 0 <+ >P ^-sin 0, RT = RE*cos X and. RR = R£ .sinX where R^ is the earth's rotation speed about its axis and X is the geographic latitude.

De andre og tredje målefaser er gjensidig komplemen-tære da den andre målefase, for hellinger over 45° med vertikalen, ville ha en tendens til å gi stadig mer unøyaktige resultater med økende helling, mens den tredje målefase, for hellinger fra 0° til 45° med vertikalen, ville gi stadig mer unøyaktige resultater med avtagende helling. The second and third measurement phases are mutually complementary as the second measurement phase, for slopes above 45° with the vertical, would tend to give increasingly inaccurate results with increasing slope, while the third measurement phase, for slopes from 0° to 45 ° with the vertical, would give increasingly inaccurate results with decreasing slope.

Teoretisk bakgrunn Theoretical background

Dersom innretningen beveges på en slik måte at dens lengdeakse OZ' forblir parallell med borehullets akse under bevegelsen, er innretningens eller instrumentets rotasjonshastigheter om de kappefikserte akser definert som henholdsvis u>x, u)y og uig. Dersom de momentane rotasjonshastigheter defineres uttrykt ved hastighetene 0 og f, hvor disse hastigheter er definert ved endringene i borehullparametrene B og f etter hvert som innretningen beveger seg langs borehullets bane, kan innretningens rotasjonshastighet i det jord-fikserte system defineres ved: If the device is moved in such a way that its longitudinal axis OZ' remains parallel to the axis of the borehole during the movement, the rotational speeds of the device or instrument about the case-fixed axes are defined as respectively u>x, u)y and uig. If the instantaneous rotation speeds are defined in terms of speeds 0 and f, where these speeds are defined by the changes in the borehole parameters B and f as the device moves along the path of the borehole, the device's rotation speed in the earth-fixed system can be defined by:

Ved å operere på vektoren R^ for å transformere den til kappefikserte komponenter, fås • Man får således By operating on the vector R^ to transform it into envelope-fixed components, one obtains • One thus obtains

Løsning av ovenstående likninger 1 og 2 med hensyn på ¥ og 0 gir: Solving the above equations 1 and 2 with respect to ¥ and 0 gives:

Dersom størrelsen av jordens rotasjonshastighet om sin akse er R^, kan jordens rotasjonshastighet i det jordfikserte system defineres ved: If the magnitude of the earth's rotational speed about its axis is R^, the earth's rotational speed in the earth-fixed system can be defined by:

Ved å operere på vektoren Rp for å transformere den til kappefikserte komponenter, fås:By operating on the vector Rp to transform it into shell-fixed components, one obtains:

hvor Q , n og °,„ er jordens rotasjonshastigheter om de kappefikserte akser. where Q , n and °,„ are the earth's rotation speeds about the mantle-fixed axes.

Claims

1. Device for inspecting a borehole," comprising an elongated casing (10) whose longitudinal axis in use coincides with the axis of the borehole, an outer wobble hoop (13) which is pivotally mounted in the casing (10) with its pivot axis coinciding with. the longitudinal axis of the casing, a velocity gyroscope unit (12) mounted in the outer wobble bar, a twisting device (22) for exerting a torque on the outer wobble bar, a gravity sensor unit for sensing two gravity components in two transverse directions, and a device for determining the high side angle of the device during an inspection run based on the sensed gravity components, CHARACTERIZED IN THAT the gyroscope unit (12) is arranged to provide output signals indicating the rotational speeds about the outer sway bar's axis (OZ<1>) and an axis (OX' ) across the axis of the outer wobble hoop, and that the device further comprises a first influencing device for influencing the twisting device (22) when the device is placed at the mouth of the borehole, to turn the outer wobble hoop (13) about its axis, so that the alignment of the said transverse axis (OX<1>) in relation to an East/West direction during operation is determined from the rotational speed about said transverse axis (OX') sensed by the gyroscope unit (12), a second influencing device for influencing the twisting device (22) as a reaction on the rotation speed about the outer sway bar axis (OZ<1> sensed by the gyroscope unit "f 12) during an inspection ion run, to stabilize re the outer sway bar (13) orn its axis (OZ' ), and a third influencing device for influencing the twisting device (22) in response to the rotation speed about the mentioned transverse axis (OX<1>) sensed by the gyroscope unit (12) during an inspection run at high heliings angles, to maintain the high side angle (0) at zero.

2. Device according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT it comprises a rotation position sensor (26) for sensing the rotation angle of the outer wobble bracket (13) about its axis in relation to the casing (10).

3. Device according to claim 1 or 2, CHARACTERIZED IN THAT the gravity sensor unit (30) is mounted on the outer wobble bracket (13).

4. Device according to claim 1 or 2, CHARACTERIZED IN THAT the gravity sensor unit (30) is mounted on the cover (10).

5. Device according to one of claims 1-4, CHARACTERIZED IN THAT the gravity sensor unit (30) is designed to sense three gravity components in three non-coplanar directions.

6. Device according to one of claims 1-5, CHARACTERIZED IN THAT the gyroscope unit is a two-axis, dynamically tuned gyroscope.

7. Procedure for inspecting a borehole using an inspection device comprising an elongated casing whose longitudinal axis coincides with the axis of the borehole, an outer wobble hoop which is pivotally mounted in the casing with its axis of rotation coinciding with its longitudinal axis, and a velocity gyroscope unit mounted in the outer wobble hoop, CHARACTERIZED IN that the gyroscope unit (12) is adapted to provide output signals indicative of the rotational velocities about the outer wobble hoop axis (OZ') and an axis (OX<1>) across the axis of the outer wobble hoop, and that the method includes the steps of placing the inspection device at the mouth of the borehole, sensing the rotation speed about the aforementioned transverse axis (OX<1>) by means of the gyroscope unit (12) and exerting a torque on the outer wobble hoop (13 ) to rotate the outer wobble bar orn its axis, so that the alignment of the transverse axis (OX<1>) in relation to an East/West direction is determined based on the sensed speed, to move the inspection device along the borehole to perform an inspection run , to sense the rotation speed about the outer grab bar's axis (OZ<1>) using the gyroscope unit (12) during the inspection run, and exert:- a torque on the outer wobble bar (13) in ngity of the sensed speed to stabilize the outer sway bar (13) about its axis, to sense two gravity components in two transverse directions in relation to the outer sway bar (13) or casing (10), at high inclination angles of the borehole to sense the rotation speed about the said transverse axis (OX<1>) using the gyroscope unit (12) during the inspection run, and exerting a torque on the outer sway bar (13) depending on the sensed speed to maintain the high side angle (0) determined from the sensed gravity components, at zero, and to determine in the inclination (0) and azimuth (V) of the smallest borehole at a number of places along the length of the borehole based on the sensed gravity components.