NO176335B

NO176335B - Fremgangsmåte for bestemmelse av fastkiling av et verktöy eller en sonde i et borehull

Info

Publication number: NO176335B
Application number: NO833813A
Authority: NO
Inventors: David So Keung Chan
Original assignee: Schlumberger Ltd
Priority date: 1982-10-27
Filing date: 1983-10-19
Publication date: 1994-12-05
Also published as: NO176335C; IN158957B; OA07574A; GB2129141B; IT8323466A0; GB2129141A; NO833813L; IT1206333B; GB8328672D0; US4545242A

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører undersøkelse av en grunnformasjon fra et borehull. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for å bestemme hvorvidt et verktøy eller en sonde som henger i en kabel inne i borehullet, er fastkilt i hullet. Dette forbedrer dybdebestemmelsen.

På området brønnlogging med en sonde eller et verktøy

som er opphengt i en kabel, er nøyaktig informasjon om sondens dybde vanskelig å oppnå fordi sonden har en tendens til å sprette opp og ned etterhvert som kabelen blir trukket opp gjennom borehullet. Dette er en effekt som ofte kalles "yo-yo-effekten" og som gjør dybdekorrelasjon av informasjon med høy oppløsning unøyaktig. Dette problemet er spesielt alvorlig i forbindelse med sonder av sideveggpute-typen og retnings-brønner hvor friksjonen noen ganger er tilstrekkelig stor til å stoppe sonden fullstendig, noe som medfører at den raser for-over når strekket som bygges opp i kabelen overvinner den sta-tiske friksjon. Hvis det ikke kompenseres for fastkilingen og slippingen og yo-yo-bevegelsen til sonden, kan det føre til feilaktige og misvisende resultater på logger som frembringes på grunnlag av undergrunns-undersøkelser med høy oppløsning fra innsiden av et borehull.

I f.eks. en fallmålings-sonde med høy oppløsning for bestemmelse av lagvinkler, vil feil i sondehastigheten eller rettere sagt dybden, overføres direkte til feil i beregnede fall og er noen ganger alvorlig nok til fullstendig å forhindre en fall-bestemmelse. Dette problemet er velkjent og f.eks. beskrevet i en artikkel med titel "The High Resolution Dipmeter Tool" av L. A. Allaud og J. Ringot og publisert i "The Log Analyst" for mai-juni 1969. §en løsning som foreslås i denne artikkelen innbefatter et par elektroder som er vertikalt adskilt fra hverandre med en kjent avstand, og hvis det antas at disse elektrodene passerer over samme bane på borehulls veggen, skulle elektrode-responsene gi den samme løpende respons bortsett fra en for-skyvning som er proporsjonal med avstanden mellom elektrodene. Sondehastigheten kan anslås ved å krysskorrelere segmenter av strøm-målinger fra de to elektroder. Denne metoden virker godt når sonden roterer ganske langsomt med god kontakt mellom side-veggputene og borehulls-veggen og forutsatt at hastighets-variasjoner omkring middelverdien ikke er store. Når imidlertid hastighets-variasjonene er store, slik som når sondebevegelsen foregår rykkvis (fastkiling og slipping), eller når målekurvene fra de to elektrodene ikke ligner hverandre tilstrekkelig til å korrelere godt, så virker ikke denne teknikken.

Selv om kompensasjon for sondens yo-yo-effekt ofte er blitt kalt et hastighetkorrelasjons-problem, er det i praksis en korrelasjon av måling av sondedybden foretatt ved å overvåke bevegelsen av den kabel sonden er opphengt i. En forbedring av en dybdebestemmelse er blitt oppnådd ved å bruke aksellerometere som brukes til både å måle sondeaksellerasjon og sondens helning i forhold til den lokale vertikalretning. Denne metoden benytter aksellerometere og frembringer unøyaktigheter i dybdebestemmelsen som skyldes en antagelse om at den målte kabeldybde representerer virkelig sondedybde ved jevne dybdeintervaller. Denne antagelse er imidlertid ikke helt korrekt, spesielt fordi den ikke tar i betraktning sondens rykkvise bevegelser ved grensene for disse intervaller. Selv om aksellerometere teoretisk kan gi en nøyaktig bestemmelse av dybden ved å bruke velkjente integrasjons-metoder, vil feil i aksellero-metermålingene til slutt akkumuleres til betydelige verdier, noe som krever periodisk oppdatering eller korreksjon med andre målinger.

US patent nr. 3,490,149 beskriver en fremgangsmåte for å bestemme dybden av en sonde inne i et borehull. Målinger av kabeldybder kombineres kontinuerlig med målinger av sondens akselerasjon (målt ved hjelp av et akselerometer i sonden) for å frembringe en "sann" indikasjon på sondens dybde.

Med en fremgangsmåte i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, kan dybden av en sonde som henger i en kabel, måles med større sikkerhet enn tidligere, fordi fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å bestemme hvorvidt sonden faktisk står stille i borehullet eller er i bevegelse.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen benyttes i samband med bestemmelse av dybden av et verktøy eller en sonde som henger i en kabel inne i et borehull som gjennomtrenger en grunnformas jon, og følgende trinn utføres: utledning av en måling av sondens kabeldybde ut fra en måling av lengden av den kabel sonden henger i, utledning av en måling av sondens akselerasjon langs borehulls-aksen, beregning av sondens dybde ut fra målingene av kabeldybden og akselerasjonen, og avføling av en urørlig sonde i borehullet, samt modifisering av beregningen av sondedybden i det minste under det tidsrom sonden blir avfølt som urørlig for å holde beregningen av sondedybden konstant mens sonden er urørlig.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utøves med et apparat for å bestemme dybden av en sonde eller et verktøy som henger i en kabel inne i et borehull som gjennomtrenger en grunnformasjon, omfattende en anordning anbragt på overflaten for generering av et kabeldybdesignal som indikerer lengden av kabelen som sonden henger i, en anordning for å måle sondens aksellerasjon langs borehulls-aksen og frembringe signaler som er representative for denne, en anordning som reagerer på kabeldybde- og aksellerasjons-signalene for å generere et overslag eller en beregning av sondens dybde, en anordning for å detektere en urørlig sonde og frembringe et signal som indikerer dette, og en anordning for å modifisere anordningen som genererer overslaget, med det sistnevnte signal for å holde beregningen av sondedybden konstant mens sonden er urørlig.

Med en spesiell utførelsesform av en dybdeføler for en slik sonde, bærer sonden som er opphengt i en kabel i et borehull, innretninger for å måle sondens akselerasjon og aksens helningsvinkel i forhold til den lokale vertikal. Det utføres en måling av kabellengden inne i borehullet, og disse målinger blir tilført et filter av Kalman-typen. Filteret genererer beregninger eller overslag over sondens dybde og hastighet ut fra disse målingene1 og beregner feilvarians for disse parameterne. • En filtermodifiserer blir brukt til å endre filterets drift når fastkiling av sonden forekommer. Filtermodifisereren benytter en fastkilings-detektor for sonden til å generere passende signaler for styring av Kalman-filteret både i løpet av den tid sonden er fastkilt og en tid etter dette for en gradvis overgang til normal filterdrift.

Diskontinuerlige bevegelser av sonden blir detektert ved å overvåke akselerasjonsmålingen og bestemme når visse betin-gelser for en fastkilt sonde er oppfylt. Bestemmelsen av en fastkilt sonde forårsaker generering av et filtermodifiserende signal, hvorved visse overslag eller beregninger for filteret blir tvunget til verdier som må være tilstede når sonden ikke er i bevegelse. Slik som hastigheten, og dets feilvarians-beregning blir satt til null og filterets grad av avhengighet av kabeldybde-målingen blir innskrenket.

Mens sonden er fastkilt, blir det generert et funksjons-signal hvis verdi er avhengig av varigheten av fastkilingen. Funksjons-signalet blir så anvendt til gradvis å tilbakeføre filterets operasjon eller drift til en stabil tilstand etter at sonden gjenopptar sin bevegelse.

Deteksjonen av intermitterende sondebevegelse muliggjør fortrinnsvis endring av Kalman-filteret for å tilpasse det til foranderlige borehullsbetingelser. Når data fra aksellero-meteret identifiserer et intervall med urørlig sonde, blir hastighetsoverslaget og dets feilvarians tvunget til null og den tilbakekoblings-sløyfe som vanligvis anvendes i Kalman-filteret, blir frakoblet slik at overslaget over sondedybden forblir på en konstant verdi.

Mens sonden er fastkilt, kan kabeldybdemålingen forventes

å være feilaktig i en grad som øker proporsjonalt med det tidsrom kabelen blir strukket mens sonden er fastkilt. Denne feilen er proporsjonal med sondens nominelle hastighet slik den måles ved å overvåke kabeldybden på overflaten. En sondedybde-føler av den nevnte type tar hensyn til feilen i kabeldybde-målingen ved å modifisere den vanligvis konstante kabeldybde-variansen med en størrelse som er en funksjon av det tidsrom sonden var fastkilt. Dette muliggjør en mer nøyaktig identifi-kasjon av kabeldybde-variansen når sonden er utsatt for liten yo-yo-virkning, uten å forringe filterets ytelse når feilene er store på grunn av fastkiling av sonden.

Ved måling av en sondes dybde kan det ved hjelp av foreliggende oppfinnelse legges større vekt på kabeldybdemålingen når sonden ikke er fastkilt, mens akselerasjonsmålingene tillegges større vekt når forholdene er slik at sonden kiler seg fast og slipper, slik at et nøyaktig overslag med høy oppløsning over sondedybden blir oppnådd.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse

å tilveiebringe en fremgangsmåte som tillater en mer nøyaktig bestemmelse av sondedybde under forskjellige borehulls-tilstander, slik som når sonden kiler seg fast og slipper.

Dette og andre fordeler og trekk ved oppfinnelsen vil fremgå

av den følgende beskrivelse av en utførelsesform av oppfinnelsen, under henvisning til de vedføyde tegninger, der: Figur 1 er et blokkskjerna og en skisse av et system ifølge oppfinnelsen for utledning av en nøyaktig måling av en sondes dybde, anvendt ved undersøkelse av en grunnformas jon fra innsiden av et borehull; Figur 2 er en logg over dybdeavhengige målinger foretatt både i samsvar med en tidligere teknikk og i samsvar med oppfinnelsen; Figur 3 er et blokkskjema over en sondedybde-føler i samsvar med oppfinnelsen; Figur 4 er et blokkskjema over et filter for bruk i sondedybde-f øleren på figur 3; Figur 5 er et blokkskjema over en fastkilings-detektor for en sonde brukt i en sondedybde-føler ifølge oppfinnelsen; Figur 6 er et blokkskjema craer et filter tilpasset til borehullsbetingelser i samsvar med oppfinnelsen for måling av en sondes dybde inne i et borehull; Figur 7 er et blokkskjema over en digital utf ørelsesf orm av et filter som anvendes i sondedybde-f øleren på figur 6; Figur 8 er et tids-skjema for signaler som genereres i forbindelse med en bevegelsesdetektor for en sonde brukt i et dybdeavfølings-system ifølge oppfinnelsen; og Figur 9 er et flytskjema for en detektor for deteksjon av en diskontinuerlig sondebevegelse som anvendes i en sondedybde-føler ifølge oppfinnelsen.

Det vises til figur 1 hvor en sonde 20 er vist opphengt i en kabel 22 i et borehull 24 som gjennomtrenger en grunnformasjon 26. Sonden 20 omfatter et segment 28 hvor en gruppe 30 med undersøkelses-elektroder 32 er plassert på en måte som beskrives mer detaljert i europeisk patentsøknad nr. 82401422.9 publisert 9. februar 1983 og europeisk patentsøknad nr. 83400567.0 publisert 28. september 1983. Sondesegmentet 28 er anordnet for å bli presset mot veggen i borehullet 24 for å frembringe nær forbindelse mellom gruppen 30 med undersøkelses-elektroder 32 og grunnformasjonen 26. Segmentet 28 kan være en del av sonden 20 eller individuelle sideveggputer, slik som 33 som blir tvunget mot borehullsveggen 24.

Gruppen 30 er sammensatt av rader 34 med elektroder 32 som er forskjøvet slik i sideretningen at når sonden 20 trekkes av kabelen 22 i løpet av en undersøkelse, vil elektrodegruppen undersøke overlappende steder i grunnformasjonen 26. På denne måten kan et vertikalt og omkretsmessig tilstøtende segment av grunnformasjonen undersøkes med høy oppløsning, av størrelses-orden millimeter.

Elektrodene 32 er i form av sirkulære knapper og radene

34 er, selv om de ligger nær hverandre, adskilt med små avstand-er D. Elektrodene 32 kan ha en diameter på f.eks. omkring 5 mm og avstanden D mellom radene 34 kan være av en lignende dimen-sjon på omkring 1 cm. Knappenes 32 målestrømmer blir samplet for hele gruppen 30 og målingene av radene 34 vedrørende en felles dybde, blir samlet, f.eks. i lageret til en signalprosessor ved hjelp av dybdeforskyvning for å danne en "enkelt rad" av samplinger som om alle elektrodene i gruppen 30 hadde vært langs en slik enkel rad. De dybdeforskjøvne samplinger er av knappstrømmer som injiseres inn i overlappende steder på grunnformasjonen langs den ene rad. Antall steder eller posisjoner på grunnformasjonen som undersøkes i omkretsretningen er på grunn av e lekt r odeavst andene lik antall elektroder i gruppen 30. Frekvensen av elektrodesamplingen blir valgt tilstrekkelig høy til å sikre tilstrekkelig sampling under de høyest forventede hastigheter av sonden 20. Dybdeforskyvningen av samplinger fra de respektive rader 34 frembringer den ønskede høye omkretsmessige oppløsning av undersøkelsen i størrelses-orden på 2,5 mm.

Sonden 20 blir trukket opp av kabelen 22 ved hjelp av ut-styr plassert på overflaten hvor en føler 36 blir anvendt til å måle den utgitte kabel-lengde samt dens bevegelse, for derved å tilveiebringe en dybdemåling, y, på linje 38 av sondens 20 dybde. Kabelen 22 strekker seg som en funksjon av sondens 20 dybde, og dette blir tatt i betraktning ved dybdemålingen. Sondens 20 hastighet er i gjennomsnitt lik den avfølte kabelhastighet. I praksis oscillerer imidlertid sonden 20 opp og ned som en yo-yo, og en sonde med sideveggputer eller en sonde som er i kontakt med borehulls veggen har spesielt lett for å bli fastkilt for et øyeblikk og så rase fremover når strekket

i kabelen 22 overvinner fastkilingskraften på sonden 20.

Sonden 20 omfatter derfor en anordning for å avføle sondens aksellerasjon langs borehullsaksen eller z. Sondens 20 aksellerasjon blir avfølt med ortogonalt orienterte aksellerometere 42 hvis utgangs-signaler blir brukt på kjent måte til å bestemme aksellerasjonen, a , til sonden 20 langs borehulls-aksen 40, Aksellerasjons-signalene blir også benyttet til å utlede helningsvinkelen for borehullsaksen 40 i forhold til den lokale vertikalretning. Bestemmelse av helningsvinkelen 0 kan foretas på en måte som beskrevet i europeisk patentsøk-

nad nr. 80.401361.3 publisert 8. april 1981. U.S. patent nr. 4.348.748 beskriver en annen teknikk for måling av helningsvinkelen til et borehull.

Sonden 20 er også vist forsynt med akustiske transdusere slik som 44, og et par akustiske kalibrerings-transdusere, som alle er mer detaljert beskrevet i ovennevnte patentsøknad. Data fra de forskjellige følere på sonden 20 blir overført opp gjennom hullet. Dataene kan så registreres for påfølgende behandl-ing eller de kan føres direkte inn i en signalprosessor 50. I systemet på figur 1 er signalprosessoren 50 vist med en sondedybde-estimator 54 illustrert for seg, selv om en slik estimator 54 i praksis vil være innbefattet i en signalprosessor slik som 50.

Sondedybde-estimatoren 54 benytter aksellerasjons-signalet

a z langs borehullsaksen på linje 56, som er utledet fra aksel-lerometerne 42, kabeldybde-signalet y på linje 58, den nominelle kabelhastighet V m-på linje 60 og tiden T på linje 62. Den nominelle kabelhastighet kan være en forhåndsinnstilt eller konstant verdi, eller den kan være utledet fra kabeldybde-målingen y. I den foretrukne utf ørelsesf orm av oppfinnelsen blir sondedybden bestemt ved å bruke digitale samplinger av tiden, sonde-aksellerasjonen og utgangs-signalene fra kabelføleren. Samplings-hastigheten blir valgt tilstrekkelig høy til å sikre en nøy-aktig digital representasjon av disse parametere.

Sondedybde-estimatoren 54 anvender et digitalt filter, slik som et Kalman-filter, som utvikler et overslag eller en beregning av sondedybden i en modell for sondebevegelsen og dybden ved 66. En analyserings innretning 68 for sondebevegelsen blir benyttet til å detektere en fastkilnings- eller slippings-tilstand av sonden 20 etterhvert som den beveges gjennom borehullet 24.

Når slik fastkiling av sonden detekteres, blir overslaget over sondedybden endret slik at et korrekt sondehastighets-signal V og sondedybde-signal £ ved 70, 72 blir frembragt.

I samsvar med en sondedybde-estimator 54 ifølge oppfinnelsen kan det foretas en tilstrekkelig nøyaktig bestemmelse av sondedybden slik at en undersøkelse av en grunnformasjon med høy oppløsning i størrelsesorden mm kan foretas, slik at f.eks. vertikalt adskilte rader 34 med elektroder 32 kan dybdefor-skyves til felles dybdeintervaller uten innføring av betydelige feil. Dette vil man forstå under henvisning til bildet av kon-duktivitetsloggen 76 som ble opptatt med dybde-estimatoren 54

i sammenligning med loggene 78 og 80 for den samme dybde som ble opptatt uten dybde-estimator 54.

Bildeloggen 76 representerer en fremvisning av konduktivi-tetsbildet for en del av borehullsveggen detektert med en gruppe måle-elektroder 32. Bildeloggen 76 på figur 1 er tilveie-bragt med en bildelogg-generator 82. Mørkere områder på bilde-loggene 76, 78, 80 representerer høyere konduktiviteter enn lysere områder.

Bildeloggen 80 ble laget ved å fremvise konduktivitets-verdier C i fra de forskjellige elektroder 32 uten noen dybde-eller hastighets-korreksjon, slik at konduktivitetsverdiene ble antatt å inntreffe ved den dybde av sonden som ble indikert av kabelmålingen fra kabelføleren 36. Denne antagelse ledet til alvorlige sagtannlignende former som vist ved 80.1, 80.2 og 80.3 og som i virkeligheten maskerer de flere lag som viser seg å eksistere, som vist ved 76.1 på logg 76.

Bildeloggen 78 ble opptatt med en teknikk for korreksjon av sondehastighet og dybde som benytter aksellerometere til å måle hastigheten og dybden, men under antagelse av at kabel-dybden y representerte virkelig sondedybde ved jevne mellomrom. Dette resulterte i de rippelformede områder som ved 78.1 som fremdeles har tendens til å maskere det virkelige konduktivi-tetsmønster som opptrer i bildeloggen 76 ved 76.1. Mønsteret over de forskjellige sediment-lag med dets rippel form som vist ved 78.1 i logg 78 kan ha tolkningsmessig betydning. Siden det virkelige sediment-mønster som vist ved 76.1 i logg 76 ikke oppviser slik rippelform, kan man ikke stole på bildeloggen 78 ved 78.1.

Fordelene ved sondedybde-estimatoren 54 ifølge oppfinn-elsen kan forstås spesielt under henvisning til linjetrasene på figur 2. Linjetrasene representerer målinger av sondeposi-sjon og sondehastighet som en funksjon av dybden i meter for det borehulls-segment hvor alvorlig sondefastkiling opptrer. Trase 90 reprenterer aksellerasjon langs z-aksen (borehulls-aksen) i enheter g=9,81 m/s 2. Trase 92 representerer forskjellen mellom kabeldybden, y (n), og sondedybden (n), med den sistnevnte målt med samme fremgangsmåte som beskrevet under henvisning til bildeloggen 78 på figur 1. Trase 94 er hastigheten V (n) til sonden 20 målt med sistnevnte fremgangsmåte.

Trase 96 representerer forskjellen mellom kabeldybden y (n) og sondedybden g (n) som målt med sondedybde-estimator 54, og trase 98 viser de intervaller under hvilke detektoren 68 har avfølt en f astkiling av sonden 20. Trase 100 representerer sondehastigheten V (n) målt med sondedybde-estimatoren 54.

En feil i hastighets-anslaget V (n) av trase 94 kan sees ved 94.1 som et plutselig hopp. Dette faller sammen med en segmentgrense 92.1 ved dybde 1182,5 hvor sondehastigheten feilaktig antas å være lik kabelhastighet en. Den antatte verdi for den innledende hastighet for det segment som starter ved dybden 1182,5 innfører en feil hvis virkning forplanter' seg godt inn i det neste dybdesegment som følger etter grensen 92.1. Når f.eks. sonden 20 er tydelig fastkilt som indikert ved 98.1, bør hastig-hetstrasen 94 være 0 ved 94.2, hvor den i virkeligheten er tydelig positiv. En slik feil i hastighetsberegningen forårsaker akkumulering av en feil i dybdeberegningen som i trase 92 viser seg å drive betraktelig vekk fra kabeldybden y (n). Overslaget eller beregningen av sondedybden som fremgår av trase 96 illustrerer derimot en variasjon omkring kabeldybden y (n) på en måte som man ville vente når dette representerer den gjennom-snittlige kabeldybde over større dybdeintervaller. En spesiell fordel ved sondedybde-estimatoren 54 er dens ufølsomhet for startpunkter og fraværet av transient-effekter ved igangsett-elsen av dens drift. Resultatet er at sondedybden kan bestemmes med en oppløsning som kan sammenlignes med den høye opp-løsning i undersøkelsen av grunnformasjonen, dvs. i størrelses-orden omkring 2,5 mm.

Sondedybde-estimatoren 54 anvender et filter ved hjelp av hvilket, beregninger av ukjente størrelser slik som sondedybde tj / kan foretas fra støyfylte målinger slik som aksellerasjonen az langs borehullsaksen og kabeldybden y. Filteret er et Kalman-filter som er tilpasset i samsvar med oppfinnelsen til borehullsbetingelsene.

Det vises til figur 3 hvor en digital versjon av sondedybde-f øleren 54 er vist. Aksellerometer-data, G, fra ortogonalt orienterte aksellerometere 42 blir behandlet ved 110 for å frembringe den lokale gravitasjons-konstant g på utgang 112 og ved 114 for å generere en verdi av borehullets 24 helningsvinkel 0 på utgang 116. Disse parametere blir sammen med den målte aksellerasjon, G z(n) langs borehullsaksen 40 tilført ved 118 for å beregne sondens 20 aksellerasjon a z(n) langs borehullaksen 40.

Ved bruk av aksellerasjons-målingene som er utledet fra aksellerometerne 42, blir det først gjort en beregning eller et overslag av gravitasjonen g ved å ta gjennomsnittet av alle ortogonale aksellerometer-verdier over alle de tilgjengelige samplinger. På denne måten blir en verdi |G(n) | =

G^(n) + Gy(n) + G^(n) beregnet og midlet for å utlede g. Sondens aksellerasjon az(n) langs borehullsaksen, z, blir bestemt av forholdet a z (g) = G z (n)-g cos 0 hvor 0 blir ^utledet fra et gjennomsnitt av aksellerometer-målingene langs de tre akser.

Aksellerasjons-verdien az(n) for sonden på linje 56 blir

tilført et Kalman-filter 122 som beregner eller vurderer sondebevegelsen og dybden, og til fastkilings-detektoren 68 samt en første tilstands-estimator 124 hvis utganger 126, 128 gir innledende overslagsverdier for sondehastighet V(nQ) og sondedybde £(n ) for bruk i filteret 122. Kabeldybdesignalet y(n) ved 58 blir tilført som en inngang til estimatoren 124 og filteret 122 for å utlede løpende målinger av sondehastigheten V(n) ved 70

og sondedybden 5^n) ved 72•

Kalman-filteret 122 er vanligvis av en type som er gene-relt beskrevet i en bok med titel "Applied Optimal Estimation" redigert av A. Gelb og publisert av M.I.T. Press, Cambridge, Mass. 1974. Med spesiell henvisning til kapitelet "Optimal Linear Filtering" i nevnte bok og figurene 4.2-3 i denne, blir det beskrevet et rekursivt diskret filter med et forenklet flytskjema for et slikt filter vist på figur 4.2-3. I foreliggende oppfinnelse frembringer Kalman-filteret 122 en modell av sondebevegelsen og oppdaterer anslåtte verdier med målinger. Figur 4 illustrerer en kontinuerlig versjon av et Kalman-filter 122' som brukes til å utlede sondehastighet V(t) og sondedybde £(t) fra en målt aksellerasjonsinngang a (t) og kabeldybde y(t) med passende segmenter modifisert i samsvar med oppfinnelsen.

Aksellerasjons-målingen blir integrert ved 140 for å frembringe overslaget over sondehastigheten på linje 70', som blir tilført en annen integrator 142 for å utlede overslaget over. sondedybden på utgang 72'. Disse integrasjoner er konvensjo-nelle for å frembringe overslag over sondens hastighet og dybde fra en aksellerasjons-måling. Overslaget over sondedybden blir sammenlignet med kabeldybde-målingen y(t) i en kombinerings-krets 144 og forskjellen, dvs. kabeldybde-feilen, på linje 145 blir matet tilbake gjennom forsterkere 146, 148 for å modifisere overslagene over hastighet og dybde. Graden av tilbake-kobling blir styrt av forsterknings-faktorene K^(t) og Kjlt) for henholdsvis forsterker 146 og 148. Utgangen 150 fra forsterker 146 blir kombinert med aksellerasjons-målingen i summerings-kretsen 152. Utgangen 154 fra forsterker 148 blir kombi-- nert med hastighetsoverslaget i summerings-kretsen 156. Forsterkningsfaktorene til forsterkerne 146, 148 avspeiler i virkeligheten den relative tillit man har til aksellerasjons-målingen az(t) som funksjon av kabeldybde-målingen y(t). Jo mer nøyktig aksellerasjons-målingen antas å være i forhold til kabeldybden, jo mindre har forsterkningsfaktorene K^(t) og K2(t) i tilbakekoblings-kretsen en tendens til å være, og om-vendt .

I sondedybde-estimatoren 54 blir den relative tiltro til disse målingene bestemt ved hjelp av ligningene for Kalman-filteret og så modifisert med fastkilings-detektoren 68 for sonden. Den sistnevnte genererer en filtermodifiserende utgang som innbefatter et modifiserings-signal ved utgang 160 sm blir tilført forsterkerne 146, 148 for å tvinge deres utganger og hastigheten ved 162 til null som følge av at sondens aksellerasjon og hastighet er null ved fastkiling. I tillegg får fastkilingsdetektoren 68 filteret 122' til å frembringe en konstant dybdeutgang ved hjelp av en sample- og holde-krets 164 som aktiveres av modifiserings-signalet 160. Mens sondebevegelsen er diskontinuerlig, f.eks. under fastkiling, blir filterets avhengighet av feilaktige kabeldybde-signaler y og aksellerasjons-signaler a for utledning av sondedybde og hastighet, unngått.

Fastkilings-detektoren 68 er basert på den observasjon

at når sonden 20 stanser, øker aksellerasjonen a 2(n) til å begynne med raskt mot null fra et skarpt negativt ut sving og oppviser så en hurtig hendøende svingning omkring null. Etter det holder verdien av a2(n) seg nær null mens sonden er fastkilt. Detektoren 68 som er vist på figur 5, begynner følgelig ved 170 med en test av sondens 20 hastighet. Denne testen er nødvendig siden null-aksellerasjon kan bety en konstant sondehastighet i stedet for en fastkilt sonde. Den anslåtte hastigheten V av sonden blir kontrollert ved 170 med hensyn til om den er mindre enn en maksimums-terskei, og hvis den er det, fortsetter detektoren 68 sine kontroller.

Ved 172 blir sondens aksellerasjon a2(n) middelverdi og varians målt innenfor et vindu, og disse verdier blir sammenlignet ved 174 med terskler. Hvis disse ikke blir overskredet, fortsetter detektoren 68.

En statistisk "flathetsmåling" som beskrives mer spesielt under henvisning til figur 9, blir foretatt ved 176 og sammenlignet ved 178 med en terskel. Hvis testen blir oppfylt, så blir aksellerasjons-målingen a2(n) undersøkt ved 180 med hensyn til en begynnende ringe-effekt, noe som det er vist et eksempel på ved 90.1 på figur 2. Når alle disse testene er oppfylt, blir det fastslått at sonden 20 er fastkilt, og visse verdier som genereres i filteret 122, blir satt til spesielle verdier ved 182. Nye verdier for sondehastigheten V og sondedybden blir så beregnet ved 184 ved å bruke det nå modifiserte filter 122, og fastkilings-detektoren 68 blir så undersøkt på nytt. Dette fortsetter inntil sonden gjenopptar sin bevegelse, noe som av-føles ved at noen av testene ikke oppfylles. Den avfølte gjen-opptagelse av bevegelsen forårsaker en tilbakestilling av filter-modifiseringskretsene ved 186.

Innstillingen av filter-modifiseringskretsene ved 182 innbefatter tilførsel av et modifiserings-signal 160 på figur 4 for å tvinge forsterknings-faktorene K, og K2 og verdien av hastighetsoverslaget til null. Verdien av sondedybden£ blir holdt konstant ved f.eks. å fastholde den på dens siste fast-satte verdi med sample- og holde-kretsen 164.

Virkemåten av den diskontinuerlige bevegelses-detektor 68 for sonden med en digital versjon av et filter 122 kan forstås under henvisning til figurene 6 og 8. Kalman-filteret 122 innbefatter et segment 200 for beregning av feilvarians og et beregnings-segment 202 for hastighet V og sondedybde £. Feilvarians-estimatoren 200 genererer signaler ved 204 og 206 for frembringelse av f orsterknings-f aktorene Y.^ og K2 ved henholdsvis 208 og 210, som tidligere beskrevet under henvisning til figur 4. Feilvarians-estimatoren 200 anslår nye feilvarianser for hastighet, Pv, dybde, Pg , og feilkovarians P med de kjente varianser for aksellerasjon a zog kabeldybde y. Mellomliggende overslag av feilvariansene P- og Pg ved henholdsvis 204 og 206 blir brukt til å generere verdiene for og Kj. Hastigheten V og dybde-estimatoren 202 anvender verdiene av K1 og K2 etter kombinasjon med forskjellen mellom overslagene av kabeldybden y og sondedybden £ til å generere nye overslag over hastigheten V og dybden £.

I utførelsesformen på figur 6 virker en filtermodifiserer 212 til å endre verdiene av K^ og K2 eller deres virkning på hastighets- og dybde-estimatoren 202 under fastkiling av sonden og en periode etter. Fastkilingen av sonde 20 blir detektert og modifiserings-signalet 160 i form av et nivåfikserende signal 188 som vist på figur 8, blir frembragt. Det nivåf ikserende signal 188 blir i denne utførelsesform brukt til å tvinge visse overslag og størrelser til null. Dette blir gjort ved å til-egne en verdi på null ved 188.1 under det tidsrom sonden er fastkilt og en verdi på 1 til andre tider, og ved å multipli-sere det nivåf ikserende signal 188 med de størrelser som må settes til null mens sonden er fastkilt, slik som ved 214.1-214.6.

Fastkilings-detektoren 68 genererer også et funksjons-signal f ved 216 (figur 6) for bruk i en funksjonsgenerator 217 til å frembringe forbedrede verdier av forsterknings-faktorene og K2 for mer nøyaktig å anslå sondehastighet og sondedybde kort etter at sonden gjenopptar bevegelse etter en fastkiling.

Verdien av funksjons-signalet f representeres ved formen

av kurven 216 på figur 8 og viser en økende funksjon med en konstant helning som en funksjon av tiden ved den stigende del 216.1, mens sonden er fastkilt fra tiden t o til tl,. Etter at sonden begynner å bevege seg igjen, etter tiden t^, kan verdien av f opprettholdes, noe som representeres ved segmentet 216.2, i et tidsrom som ansees tilstrekkelig til gradvis å justere filteret 122 til de hurtig oscillerende bevegelser som følger etter fastkiling av sonden 20. Varigheten av segmentet 216.2 kan f.eks. være det samme som den tid sonden 20 var fastkilt. Ved et tidspunkt t2 blir verdien av f tvunget til null langs en funksjonskurve, som f.eks. segmentet 216.3. Segmentet 216.3

kan følge en skrånende linje med samme helning som segmentet 216.1, eller kan følge en annen funksjon, som vist ved 216.4, eller med en brattere helning som ved 216.5.

Funksjonsverdien av f kan også minskes til null langs en funksjonskurve som vist ved 216.6, som begynner ved tidspunkt t^ når sonden 20 slipper. Ved å anvende funksjonen f blir virkningen av filteret 122 på kabeldybdemålingen y umiddelbart etter at sonden 20 har vært fastkilt en tid, dvs. når kabel-dybdefeilen ved 145<*> (se figur 7) er størst, redusert. Etter-som funksjonen f blir minsket etter at sonden har sluppet, blir innflytelsen av kabelmålingen y på sondedybde-målingen gradvis gjeninnført. ;Den diskrete versjon av dybde-estimatoren på figurene 6 og ;7 følger den kontinuerlige versjon på figur 4 med hensyn til Kalman-f ilteret, og av denne grunn er ekvivalente diskrete funksjoner på figur 4 vist med like, men merkede tall på figur 7. Den diskrete versjon er også vist som om den frembringer visse signaler på utgangene, selv om de forskjellige verdier av signalene når den blir utført i en digital signalprosessor, vil opptre til spesielle tidspunkter i et minne eller andre signal-lagere eller signalbestemmende registere. Utførelsen av en digital Kalman-versjon kan utledes fra kjente publikasjoner, slik som den foran nevnte publikasjon om optimal filtrering fra M.I.T. Press. ;Beregningene som utføres av det digitale Kalman-filteret på figur 7, blir utført på sampelsett som innbefatter sampler av kabeldybden y (n) og aksellerasjonen a z(n) langs borehulls-aksen (z-aksen). De grunnleggende beregninger er for å finne feilvarians-overslag for hastighet Pv, dybde P^, kovarians <p>v^# sondehastighet V og sondedybde 5 ved å bruke de følgende beregninger. Startbetingelsene blir frembragt ved hjelp av Kalman-glatting av aksellerasjons-målingene og kabeldybde-målingene over en innledende distanse som kan være flere meter lang. Beregningene blir gjentatt ved hvert tidsintervall T med indeks n der nye verdier erstatter gamle verdier og det ikke er nød-vendig å bevare tidligere beregnede verdier. De like fortegn betyr at funksjonen på venstre side av fortegnet fastsettes av den spesielle kombinasjon av verdier på høyre side. ;Hvor P- = et mellomliggende over- ;vslag over hastighets-feilvariansen ;Hvor q = standardavviket for aksel-leras jonsfeilen satt lik en konstant verdi. ;;Hvor P-£ = et mellomliggende over-* slag over feilkovariansen.

Hvor Pg = et mellomliggende overslag over dybdefeil-variansen.

Hvor r er standardavviket for kabel-dybdefeilen og s er en tilpasningsparameter som anvendes når sonden er fastkilt, og som utledes fra s = V x f der V er nom nom midlere kabelhastighet og f er funksjonen 216. Hvor V~ er et mellomliggende overslag over sondehastigheten a er overslag over sonde-aksellerasjonen. Hvor £ er et mellomliggende overslag over sondedybden .

Hvor V er endelig overslag over sondehastigheten og

£ er endelig overslag over sondedybden.

Verdiene for q og r blir valgt som nominelle verdier av standard-awiket for aksellerometerstøy og kabeldybdestøy. Standard-avviket r for kabeldybden blir satt til en verdi som er for normale oscillasjoner av yo-yo-typen for sonden 20 ved enden av kabelen 22. Verdien av r er derfor gjort proporsjonal med lengden av kabelen i borehullet. Beregningen av de ovenfor gitte ligninger blir utført for hvert sampelsett av målinger av kabeldybde y og aksellerasjon.

Innledende overslag over hastighet V og dybde C blir foretatt ved å bruke Kalman-filteret 122 utviaet med en glatteoperasjon for å bestemme innledningsbetingelser ved å bruke et forutbestemt antall indekser. Det diskrete Kalman-f ilteret på figurene 6 og 7 realiserer de forhold som er fremsatt ovenfor

og begynner med innledende verdier frembragt ved hjelp av en glatteoperasjon. Fastkilings-detektoren 68 forårsaker generering av nivåfikserings-signalet 188 med en verdi lik null, slik som ved 188.1 under f astkiling og lik 1 til alle andre tider.

Når sonden er fastkilt, blir derfor overslagene over hastighets-feil-variansen Py og kovariansen tvunget til null med multi-pliseringskretser 214.4 og 214.5. I tillegg blir forsterknings-faktorene <K>1 og <K>2 satt til null med multipliserings-kretser

214.1 og 214.2, og innmatningen av aksellerasjonsmålingen a z,

56 til integrator-seksjonene 140' og 142' og hastighet sover slaget V blir fiksert til null ved 214.6 og 214.3, respektive. Også P£ blir nivåfiksert ved 214.7, og q ved 214.8.

Når det har blitt bestemt at sonden 20 er fastkilt, blir derfor verdien av overslaget over sondedybden C holdt på en konstant verdi. Standardravviket r for sondedybden blir endret for å redusere filterets avhengighet av kabeldybde-målingen y umiddelbart etter at sonden gjenopptar sin bevegelse etter fastkiling, med et funksjons-signal f som genereres av fastkilingsdetektoren 68 som en funksjon av den tid sonden var fastkilt. Denne verdi av f blir ved 224 multiplisert med den nominelle hastighet V av kabelen for å frembringe para-

noia

meteren s.

Figur 9 illustrerer fastkilings-detektoren 68 i større detalj. Ved 240 blir en første frembringelse av parametere foretatt, slik som tilbakestilling av verdiene for funksjonen f, nivåfiksering 188, en teller K og en vindus-posisjonerings-krets n. Pilene ved 240 indikerer de verdier til hvilket disse parametere blir satt.

Ved 242 blir verdien av telleren K testet. K representerer en indeksverdi for å indikere når sonden slipper etter å

ha vært fastkilt.

Ved 170 blir det prøvd om det nyeste hastighetsoverslag

V er mindre enn en minimumsterskel 6Q« Hvis den er det, så .er dette en indikasjon på at sonden kan være fastkilt, slik at det ved vindu 246 blir valgt et vindu med et nummer, N, for frem-tidige aksellerasjons-sampler a , og middelverdien m ssom er beregnet ved 248, bli valgt til å begynne middelverdi- og varians-testene 174. Middelverdien mg blir sammenlignet med en terskel ^ ved 250, og hvis middelverdien er mindre enn terskel-en, blir fastkilings-føleren holdt i fortsatt drift ved 252 hvor middelverdien blir fjernet fra vinduet for aksellerasjons-samplene.

Ved 254 blir et status-flagg testet med hensyn til om sonden er blitt funnet å være fastkilt; hvis ikke blir en indeks L ved 2 56 satt til indeksen til aksellerasjons-signalet innenfor det vindu som følger den første svingning, slik som 90.1 på figur 2. Hvis sonden hadde vært fastkilt, ville man gått forbi trinn 256 med testen 258 og trinn 260, idet sistnevnte dekrementerer indeksverdien L med en.

Ved 262 blir variansen for aksellerasjons-signalverdiene over den del av vinduet som følger indeks L sammenlignet med en terskel & 2' Hvis den er mindre, så blir det ved 276 foretatt en test over et kort vindu med M indekser, som blir trukket over verdiene av det lengre vindu med N indekser. Test 176 bestemmer om gjennomsnittsverdien av aksellerasjons-verdiene over dette korte vinduet M for alle posisjoner av dette korte vindu inne i det lange vindu N, er mindre enn en terskel-verdi, hvis dette er tilfelle, fortsettes testen ved 266 ved å undersøke statusflagget med hensyn til om sonden hadde vært fastkilt- En ener i dette flagget indikerer at sonden ikke tidligere var fastkilt, og test 268 utføres deretter.

Ved 268 blir ringe- eller svinge-testen 180 påbegynt ved først å undersøke om vinduet for aksellerasjons-signalverdiene begynner med en null-verdi eller en null-gjennomgang. Hvis dette er tilfelle, foretas test 270 for å bestemme om energien

i en innledende posisjon av det korte vindu M er større enn for alle andre posisjoner av det korte vindu M i det større vindu N. Den innledende energiverdi blir bestemt for det korte vindu når det er plassert ved begynnelsen av det lange vindu etter den sampling som ligger like foran overgangen, men innbefattet den første overgangs-sampling S2. Hvis denne innledende energi er større enn eller lik maksimums-energien for aksellerasjons-verdiene i det korte vindu M når dette føres over det store vindu, blir det bestemt at en innledende svingning er tilsteder. Forekomsten av en svingning indikerer begynnelsen av en fastkiling av sonden, og prosessen fortsettes ved 276.

Siden alle fastkilingstester på dette tidspunkt er blitt passert og man har funnet at sonden 20 ikke tidligere har vært fastkilt, blir nivåfikseringen 188 satt til null ved 276 og verdien av tidstelleren t s settes til null ved 278.

Tellerverdien tg representerer den varighet sonden 20 har vært fastkilt og brukes til å generere funksjonen f. Sondens fastkilings-tilstand blir lagret ved 280 ved å sette verdien av statusf lagget til en verdi lik 1. Indeksverdien for n blir inkrementert ved 282 og hastighets- og dybde-overslagene foretas ved 284 med det nå modifiserte filter på den måte som er beskrevet under henvisning til figurene 6-8. Fastkilings-detektoren blir igjen undersøkt ved 242 og prosessen blir gjentatt inntil sonden slipper, noe som bestemmes ved at en av testene ikke oppfylles.

Under en påfølgende gjennomgang av detektoren 68 hvor det fremdeles bestemmes at sonden er fastkilt, blir trinn 256, 268, 270, 273 og 278 hoppet over og tidstelleren t blir inkrementert ved 286. Når noen av testene ikke ér blitt oppfylt, skjer det en overføring til trinn 288. Hvis sonden tidligere hadde vært fastkilt, blir en teller K ved 289 innstilt til signal-indeksen i det vindu ved eller umiddelbart etter den siste null-overgang. Denne verdi av K indikerer det antall posisjoner vinduet må føres frem før begynnelsen av vinduet når den indeksverdi for hvilken sonden er bestemt å komme fra en fastkilt tilstand. Denne verdi av teller K blir så brukt til å sirkulere hurtig gjennom rutine 68 mens K dekrementeres ved hver passering ved 291.

Når verdien av K er blitt dekrementert til én, som bestemt ved passering av test 290, blir funksjonen f ved 292 satt til maksimumsverdien av enten tidstelleren t eller den tidligere verdi av funksjonen f. Nivåfikseringen 188 blir tilbakestilt til én ved 294. Valget mellom de to verdier for f ved 292 blir foretatt for å ta hensyn til den situasjon hvor sonden blir fastkilt igjen, slik som vist ved 188.2 på figur 8, før kompen-sasjonseffekten av funksjonen f med dens segmenter 216.2 og 216.3, se figur 8, er blitt fullført. I såfall blir verdien av f regulert til den høyeste verdi ved 292 for å tilveiebringe kompensasjon som tar i betraktning den siste fastkiling av sonden. Verdien av f blir i et slikt tilfelle bragt til å følge en kurve slik som 216.7 (se figur 8) for fastkilings-tilstand 188.2 eller kurve 217.8 for en fastkilings-tilstand slik som 188.3.

Til å begynne med ved 296 på figur 9 blir funksjonen f tvunget langs kurvene som vist på figur 8 ved 216.2 og 216.3 ved først å undersøke om f er lik null ved 298 på figur 9.

Hvis ikke blir verdien av tidstelleren t s undersøkt ved 299 fpr

å se om den er null, og dekrementert ved 300 med tidsintervallet f mellom samplingene hvis den er større enn null, og dette fortsetter for påfølgende passeringer gjennom detektor 68 etter tilbakestilling av statusflagget for fastkiling ved 302. På denne

måten og som vist på figur 8 forblir verdien f ved et konstant nivå inntil tiden t2, med en varighet lik den tid sonden 20 var fastkilt.

Etter tiden t2 oppfyller tg ikke test 299, og etter tilbakestilling av telleren ved 303, blir den verdi av funksjon f som opprinnelig ble innstilt ved 292, dekrementert ved 304 og f blir undersøkt med hensyn til om den er tilbakeført til verdien null ved 3 06. På denne måte blir funksjonen f drevet langs delen 216.3 som er vidt på figur 8.

Det er nå beskrevet en fremgangsmåte for nøyaktig bestemmelse av dybden av en sonde i et borehull, men variasjoner fra de beskrevne utførelsesformer kan foretas. Som vist på figurene 6 og 7 kan f.eks. en strekkføler 320 for kabelen nede i hullet ved 322 summeres med kabeldybdemålingen på overflaten for å frembringe en mer nøyaktig kabeldybdemåling y. En slik strekkføler er kjent og vil være anbrakt nær sonden 20. Strekksignalet kan når det kombineres med de kjente elastisi-tetskonstanter for kabelen 22, tilveiebringe en mer nøyaktig virkning av Kalman-filteret 122.

Claims

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av eventuell fastkiling av et verktøy eller en sonde (20) som henger i en kabel (22) inne i et borehull (24), omfattende: måling av sondens (2 0) akselerasjon langs borehullsaksen med akselerometere (42) , montert på sonden, hvilke akselerometere frembringer et signal, og beregning av sondens hastighet ut fra den målte akselerasjon, kakterisert ved at målingen av sondens (20) akselerasjon og dens beregnede hastighet kontinuerlig kombineres og testes av en fastkilingsdetektor (68) for å bestemme om eller når sonden ikke beveger seg, idet det da avgis et signal.

2. Fremgangsmåte ifølge krav l, karakterisert ved at beregnings-trinnet innbefatter det trinn å integrere akselerasjonsmålingen for å utlede en måling av sondens hastighet; og å bestemme når sondens utledede hastighet ligger under et grensenivå, som én indikasjon på den sonde som er uten bevegelse.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at bestemmelses-trinnet innbefatter det trinn å bestemme når akselerasjonsmålingens flathet ligger under et grensenivå.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at bestemmelses-trinnet innbefatter det trinn å bestemme når akselerasjonsmålingens middelverdi ligger under et grensenivå.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at bestemmelses-trinnet innbefatter det ytterligere trinn med å bestemme når akselerasjonsmålingens varians i forhold til den bestemte middelverdi ligger under et grensenivå.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at bestemmelses-trinnet videre innbefatter det trinn å skanne akselerasjonsmålingen etter nærvær av en ringe-respons.

7. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 6, karakterisert ved det ytterligere trinn å måle kabeldybden med et Kalman-f ilter.